Нелинейное резонансное усиление

Схема нелинейного резонансного усилителя не отличается от схемы, рассмотренной. Основное отличие — в ре­жиме работы усилительного прибора. Сдвигом рабочей точки на вольт-амперной характеристике влево и увеличением амплитуды входного колебания устанавливается режим работы с отсечкой то­ка — коллекторного . . в транзисторном усилителе или анодного t_a (t) в ламповом.' Подобный режим представлен на рис. 8.10, а.

В дальнейшем рассматриваются особенности нелинейного режи­ма, характерные для любого типа усилителя. Ток i (t) в выходной цепи усилителя при работе с отсечкой имеет импульсную форму (рис. 8.11) и содержит наряду с постоянной составляющей и полез­ной первой гармоникой ряд высших гармоник, которые должны быть подавлены (отфильтрованы). Эту задачу решает параллель­ный колебательный контур, настроенный на частоту ω₀ входного колебания. При резонансе токов эквивалентное сопротивление па­раллельного контура между точками 1 — 1' очень велико и является сопротивлением нагрузки усилителя. По отношению же к высшим гармоникам тока i (f) контур, обладающий достаточно большой добротностью Q, можно рассматривать как короткое за­мыкание. В результате, несмотря на искаженную импульсную фор­му тока i (t), на нагрузочном контуре как и в линейном усилителе выделяется напряжение, очень близкое к гармоническому.

Основное преимущество нелинейного режима — относительно высокий к. п. д., под которым понимается отношение колебательной мощности , выделяемой в резонансном контуре, к мощности потребляемой от источника постоянного

тока. Таким образом,

Амплитуда напряжения на контуре U_K может быть доведена до величины, близкой к Е₀, а отношение токов при угле

отсечки θ = 70° — 100°, близким к π/2. Следовательно, к. п. д. нелинейного усилителя можно довести до величин, близких к (70 — 80)%, между тем как при линейном режиме, когда амплиту­да переменной слагающей тока I (f) должна быть по крайней мере в несколько раз меньше тока покоя , к. п. Д. не превышает нескольких процентов. (В резо­нансных усилителях, применяемых в радиоприемных устройствах, отношение настолько мало, что вопрос о к. п. д. вообще не принимается во внимание.)

Из графиков рис. 8.12 вытекает, что для повышения коэффициен­та выгодно уменьшать угол отсечки 0. При этом, однако, уменьшается величина I_t (при заданной величине импульса I_m), что ведет к уменьшению мощности (мощность Р₀ уменьшается быстрее, чем Р). Поэтому в тех случаях, когда важно максимизи­ровать мощность угол отсечки θ доводят до — 120⁰, при котором коэффициент а₂ (0) достигает максимума, мирясь при этом с некото­рым снижением к. п. д. В практике наиболее распространен режим работы нелинейного усилителя с отсечкой, близкой к 90°.

Обратимся к установлению соотношений между напряжениями и токами основной частоты со₀ в нелинейном усилителе.

В первом приближении, если не учитывать обратной реакции выходной цепи на величину тока, т. е. считать, что ток i (f) в ос­новном определяется напряжением на входе усилителя, можно вос­пользоваться формулой (8.20), которая с учетом (8.26) приведет к выражению

откуда

Напомним, что в соответствии о выражением (8.9) коэффициент а_х = S имеет смысл крутизны вольт-амперной характеристики на линейном участке.

Таким образом,

Схема замещения выходной цепи усилителя представлена на рис. 8.15, а. Активный элемент замещается генератором импульс­ного тока, однако напряжение на резонансном контуре создается

только первой гармоникой тока и поэтому определяется выражением

( Знак минус связан с выбранным на схеме рис. 8.15 направлением тока и отсчетом потенциалов относительно заземленной точки схе­мы.)

Разделив выражение (8.31) на Е, получим параметр

который можно трактовать как среднюю крутизну характеристи­ки для первой гармоники. Таким образом,

В отличие от дифференциальной крутизны S = a_1a, которая оп­ределяется в точке и поэтому при работе на нелинейном участке характеристики зависит от рассматриваемого момента времени, параметр S_cp, выраженный через отношение амплитуд тока и на­пряжения, является как бы усредненным по всему периоду коле-

бания. Понятие средней крутизны имеет смысл, если обеспечи­вается синусоидальность напряжения на нагрузке (несмотря на сложную форму тока i (t)

При учете влияния выходного напряжения на ток i (f) выраже­ние (8.34) должно быть заменено более точным:

З десь

представляет собой внутреннюю проводимость нелинейного эле­мента, приведенную к току первой гармоники.

Нетрудно получить следующее выражение для коэффициента усиления при

работе с отсечкой тока:

При можно пользоваться приближенной формулой

На основании выражения (8.34') схему замещения выходной цепи усилителя можно привести к виду, представленному на рис. 8.15, б. Символом обозначена комплексная амплитуда

напряжения на выходе.

От аналогичной схемы замещения линейного усилителя (рис. 5.17, б) эта схема отличается тем, что в ней S_cp и G являются функциями угла отсечки 6 и, следовательно, амплитуды входного напряжения Е.

При 0 = 0 усилительный прибор полностью заперт и S_cp = 0. При G = 90°, когда ток имеет форму полуволновых импульсов, а при 0 = 180° (линейный режим) средняя крутизна л_ср стремится к S = а,.

То обстоятельство, что при изменении амплитуды колебаний из­меняются параметры S_cp и G_i и, следовательно, нарушается пропор­циональность между амплитудами на входе и выходе, заставляет трактовать цепь как нелинейную. С другой стороны, сохранение формы колебания (гармонического) позволяет трактовать цепь как линейную (при фиксированной амплитуде).

Такой подход к анализу нелинейных устройств получил назва­ние квазилинейного метода [5]. Еще раз следует под­черкнуть, что этот метод применим в тех случаях, когда, несмотря на нелинейность цепи, обеспечивается синусоидальная форма коле­баний, причем система рассматривается в стационарном режиме.

Зависимость параметра S_cp от амплитуды входного сигнала ог­раничивает возможности применения нелинейного режима для уси­ления колебания, в котором информация содержится в огибающей амплитуд (т. е. при амплитудной модуляции). Исключением является режим с отсечкой тока точно в 90°. Непосредственно из рис. 8.10 видно, что при U₀ = U_t изменение амплитуды входного напряжения Е приводит лишь к пропорциональному изменению амплитуды им­пульса тока при сохранении формы импульсов. Таким образом, при работе с отсечкой 0 = 90° средняя крутизна не зависит от ампли­туды входного сигнала и всегда равна При этом коэффициент первой гармоники [см. (8.24)], т. е. амплитуда

первой гармоники равна половине амплитуды импульса.

При усилении частотно-модулированного или фазомодулирован-ного колебания нелинейность усиления не является препятствием (независимо от угла отсечки).

Отмеченные особенности нелинейного режима усиления очень важны и широко используются в практике.