4.3 Схемотехника транзисторных генераторов

В современных радиопередающих устройствах транзисторные генераторы используются при выходных мощностях до 1 мегаватта в диапазонах НЧ и СЧ, до 30-50 кВт в диапазоне ВЧ и до 1-2 кВт в диапазоне ОВЧ. На более высоких частотах реализуемая мощность транзисторных передатчиков падает примерно обратно пропорционально рабочей частоте. В связи с этим, ведущие фирмы, занятые производством радиопередающих устройств, практически отказались от использования генераторных ламп в передатчиках диапазона НЧ-СЧ, а на более высоких частотах, при больших выходных мощностях, лампы используют лишь в выходных ступенях.

В передатчиках предназначенных для работы в широком диапазоне с перекрытием по частоте более 1,5 - 2 (как правило это передатчики НЧ – ВЧ и частично ОВЧ диапазонов) тракт предварительного усиления мощности строится по схемам широкополосного усиления. Это позволяет отказаться от необходимости его перестройки по частоте, упростить тем самым эксплуатацию передатчика и повысить его надежность за счет исключения из его схемы переключателей и подвижных органов настройки. Следует иметь в виду, что при работе в широком диапазоне частот трудно обеспечить оптимальный режим генератора, поэтому такие усилители мощности обычно не позволяют обеспечить высокий к.п.д. и имеют относительно низкий коэффициент усиления. Тем не менее, преимущества широкодиапазонных усилителей, перечисленные выше, оказываются более существенными и важными для эксплуатации передатчика.

Узкодиапазонные генераторы применяют в усилительных трактах УВЧ и более высокочастотных, когда относительный диапазон частот передатчика не превышает 1,2 и, когда трудно обеспечить приемлемый коэффициент усиления по мощности

4.3.1 Схемы широкодиапазонных генераторов

В диапазонах НЧ и СЧ широкодиапазонные усилители мощности строятся с применением трансформаторов с магнитной связью между обмотками. При этом мощности до 5 -10 Вт получают в однотактных схемах, где транзистор работает в режиме класса «А» с общим эмиттером. Заметим однако, что современная элементная база позволяет в этом интервале мощностей использовать интегральные усилители на частотах до УВЧ диапазона. Более мощные усилители обычно двухтактные, в которых транзисторы для повышения к.п.д работают с углом отсечки 90°. Это позволяет компенсировать на выходе четные гармоники и получить колебание по форме близкое к гармоническому без колебательной системы.

Вариант схемы двухтактного генератора НЧ-СЧ диапазона представлен на рисунке 4.22.

Рисунок 4.22 – Схема генератора диапазона НЧ и СЧ

Здесь Rд – добавочный резистор, обеспечивающий симметричную форму импульса коллекторного тока; С – разделительные конденсаторы; Тр1,Тр2 – согласующие трансформаторы; Lбл - блокировочные дроссели в параллельной схеме питания коллекторной цепи; L- в базовой; R2– резисторы, подбором которых регулируется смещение на базах, для обеспечения симметрии режимов транзисторов. Последовательная схема питания (через среднюю точку выходного трансформатора) применяется редко, т.к. при не точном выводе средней точки возможно подмагничивание ферритового сердечника, вследствие чего в трансформаторе возникают нелинейные искажения. Дроссели Lбл имеют разомкнутую магнитную цепь и рассчитаны на подмагничивающий ток. На частотах выше 2 – 3 МГц обычные трансформаторы из-за большой индуктивности рассеяния не обеспечивают необходимой полосы пропускания, поэтому генератор строится с использованием трансформаторов на линиях. Линия образуется обмотками трансформатора, при этом полоса пропускания трансформатора практически не ограничена (при условии работы на согласованную нагрузку, отсутствии собственных потерь в линии и минимальной индуктивности соединительных проводников).

Вариант схемы генератора с использованием трансформаторов-линий представлен на рисунке 4.23. В этой схеме трансформаторы Тр1,Тр3 – обеспечивают переход от несимметричного входа (выхода) генератора к симметричному входу (выходу) двухтактной схемы. Для согласования входа и выхода генератора необходимы дополнительные трансформаторы, которые также выполняются на трансформаторах-линиях (ТЛ).

Трансформатор Тр2 обеспечивает магнитную связь плеч генератора, закорачивая коллекторную цепь генератора по четным гармоникам. Одновременно обмотки Тр2 используются в качестве блокировочных дросселей в цепи питания транзисторов. Дополнительные обмотки трансформаторов Тр1, Тр3 необходимы для симметрирования базовых цепей относительно «земли».

Резистор Rкор и конденсатор Скор составляют простейшую цепь, корректирующую амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) генератора в области верхних частот. Неравномерность АЧХ возникает вследствие снижения напряжения на эмиттерно-базовом переходе в области верхних

частот, обусловленного сопротивлением базы, индуктивностью ее вывода и емкостью перехода эмиттер-база. Резистор Rкор снижает коэффициент передачи входной цепи на нижних частотах рабочего диапазона, а конденсатор Скор, шунтируя резистор Rкор, повышает коэффициент передачи в области верхних частот. Однако такая схема коррекции приемлема лишь на частотах ниже 3ωТ/βо. При работе генератора на более высоких частотах применяются сложные схемы коррекции, описание и расчет которых можно найти в [3].

Расчет блокировочных элементов в коллекторной цепи ведется следующим образом:

;

Соответственно для базовой цепи:

;

В этих формулах Rк – сопротивление коллекторной нагрузки;

| Zвх | = - модуль входного сопротивления транзистора;

- нижняя частота рабочего диапазона генератора.

Смещение на базы транзисторов задается делителем R1,R2. При этом в мощных генераторах на биполярных транзисторах (десятки-сотни Вт) напряжение смещения подается от отдельного низковольтного источника (см. рисуок 4.22). В менее мощных ступенях для питания цепей смещения можно использовать источник коллекторного напряжения (рисунок 4.23). В мощных генераторах применение общего источника приводит к большим потерям мощности в резисторах R1. Чтобы напряжение смещения не зависело от режима генератора, ток делителя R1, R2 должен быть в 2-3 раза больше постоянной составляющей тока базы Iб0. Таким образом,

Eс/(R1+R2)=(2-3) Iб0 (4.5)

C другой стороны при известном напряжении смещения на базе (Еб)

(4.6)

Таким образом, есть два уравнения с неизвестными R1 и R2. Решение этой системы уравнений позволяет определить параметры делителя напряжения в цепи базы.

В схеме на рисунке 4.22 резисторы делителя смещения (R1, R2) могут использоваться в качестве Rд. При этом

(4.7)

Однако это возможно лишь при выполнении одновременно условий (4.5) и (4.6), т.к. в общем случае система трех уравнений может оказаться не совместимой. Если (4.7) удовлетворяет условиям совместимости, в схеме на рисунке 4.22 можно исключить Rд и дроссели L.

На рисунках 4.24 представлены примеры согласующих трансформаторов на ТЛ. В отличие от обычных трансформаторов с магнитной связью между обмотками, ТЛ при работе на согласованную нагрузку имеет коэффициент передачи равный 1, поэтому в согласующих трансформаторах, как правило, используется несколько ТЛ и коэффициент передачи трансформатора представляет собой отношение целых чисел. При использовании в согласующем трансформаторе нескольких ТЛ продольные напряжения на них существенно отличаются (см. рис.4.24) и следовательно ТЛ- трансформаторы должны быть разными. В связи с этим, не рекомендуется использовать в схеме согласующего трансформатора более 4..5 ТЛ. На рисунке 4.24 представлены два варианта согласующих трансформаторов с коэффициентом передачи 1:4, иллюстрирующих возможность выравнивания продольных напряжений на ТЛ.

В широкой полосе частот достаточно сложно обеспечить работу ТЛ на согласованную нагрузку, поэтому коэффициент передачи ТЛ становится зависимым от длины линии. Чтобы ослабить эту зависимость длина линии не должна превышать (0,1..0,2)λ на верхней частоте диапазона. Однако в этом случае продольная индуктивность линии оказывается слишком малой на нижней частоте диапазона. Проблема решается применением в ТЛ ферритового сердечника, который и обеспечивает необходимую продольную

индуктивность. Заметим, что на нижнем (по отношению к земле) ТЛ продольного напряжения нет и, следовательно, нет необходимости в ферритовом сердечнике. Более подробную информацию о широкополосных трансформаторах можно найти в [ 6 ].

Рисунок 4.24 – Схемы согласующих трансформаторов