 |
|
Нелинейное резонансное усиление и умножение частоты
В радиопередатчиках широко применяются резонансные усилители мощности и умножители частоты.
Для эффективного повышения КПД резонансного усилителя мощности используют нелинейный режим ЭП (режим с отсечкой тока).
Рассмотрим нелинейный резонансный усилитель, выполненный на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером и выбором точки покоя за счет фиксированного напряжения на базе (рис. 7.1а). Схемотехнически он не отличается от схемы линейного резонансного усилителя. Отличие заключается в выборе точки покоя транзистора.
| 
|
а) б)
Рис. 7.1 Нелинейное резонансное усиление
а) схема резонансного усилителя;
б) кусочно-линейная аппроксимация проходной ВАХ транзистора и временные диаграммы, поясняющие формирование импульсов тока
Проведем анализ работы нелинейного резонансного усилителя, используя кусочно-линейную аппроксимацию проходной ВАХ транзистора:
(7.1)
Здесь 
– крутизна проходной ВАХ, 
– напряжение начала ВАХ. В режиме покоя на базу подано постоянное напряжение смещения 
, транзистор заперт. Пусть на вход усилителя подан гармонический 
. В промежутки времени, когда 
транзистор открыт
,
а когда 
транзистор заперт
. (7.2)
В выражении (7.2) введен новый параметр: угол отсечки – фазовый угол, при котором коллекторный ток убывает от максимального значения до нуля (ток “отсекается”).
Процессы, происходящие в усилителе при гармоническом воздействии, наглядно поясняют представленные на рис. 7.1б графики проходной ВАХ и временные диаграммы 
и 
. Из временных диаграмм 
рис. 7.1б, видно, что транзистор работает в режиме отсечки. Коллекторный ток 
представляет собой четную периодическую последовательность импульсов (длительность импульсов – 
) и его можно разложить в ряд Фурье
. (7.4)
Используя как параметр угол отсечки 
, амплитуды гармонических составляющих 
запишутся следующим образом:
,
где 
– коэффициент гармоник
(7.5а)
после интегрирования принимает вид рекуррентного соотношения
. (7.5б)
Для гармоник с номерами 
=0 (постоянная составляющая) и =1 (основная гармоника)
, 
.
Если нагрузка ЭП, колебательный контур настроен на резонансную частоту 
, получим нелинейное резонансное усиления с напряжением на выходе равным
. (7.6)
Если нагрузка ЭП, колебательный контур настроен на резонансную частоту 
, получим умножение частоты гармонического сигнала с напряжением на выходе равным
. (7.7)
Как видно из рисунка 7.2, распределение амплитуд гармоник зависит от угла отсечки. Максимальное значение амплитуда конкретной гармоники достигает при оптимальном значении коэффициента гармоники 
. Оптимальный угол отсечки 
определятся из формулы
. (7.8)
Рис. 7.2 Коэффициенты гармоник
С уменьшением угла отсечки 
короче становится длительность импульсов, увеличивается их скважность и расширяется спектр, что дает возможность повысить кратность умножения частоты. Однако, учитывая то, что оптимальные значения коэффициента гармоники 
с увеличением номера сильно уменьшаются, на практике выбирают 
,4.
Умножители частоты широко применяются в передающих устройствах: во-первых, где требуется высокая стабильность частоты высокочастотных колебаний; во-вторых, при работе с угловой модуляцией для увеличения девиации частоты.
Модуляция сигналов
Модуляция – нелинейный процесс, в результате которого низкочастотный сигнал сообщения запечатлевается в изменении одного из параметров высокочастотного колебания.
Высокочастотное колебание 
называется несущим колебанием.
Низкочастотное колебание сообщения 
называется модулирующим (управляющим) колебанием.
В зависимости от того, каким параметром несущего колебания управляет модулирующее колебание, различают амплитудную 
, частотную 
и фазовую 
модуляцию.