2015-05-13
4750
Нелинейное резонансное усиление.
Усилители делятся на: узкополосные (нагрузка – резонансный контур) и широкополосные (резистивная).
Линейные усилители – это усилители слабых сигналов, в которых амплитуда переменной составляющей тока 
в активном элементе составляет небольшую долю от постоянного тока 
отбираемого от источника питания.
Смещение выбирается на наиболее оптимальном участке.
Недостатком линейного усилителя является низкий КПД, определяемый как отношение мощности выходного сигнала к мощности потребляемой от источника питания.
При значительной требуемой мощности сигнала на выходе радиосистем вопрос о КПД усилителя приобретает первостепенное значение, особенно в технике радиопередающих устройств. Повысить отношение 
можно переводом усилителя в режим работы с отсечкой тока, т.е. в нелинейный режим. При этом должна быть сохранена структура усиливаемого сигнала.
Принцип действия нелинейного резонансного усилителя.
Схема нелинейного резонансного усилителя не отличается от схемы линейного резонансного усилителя.
|
|
|
Основное отличие – в режиме работы усилительного прибора. Сдвигом рабочей точки на ВАХ влево и увеличении амплитуды входного сигнала, устанавливается режим работы с отсечкой тока – коллекторного в транзисторном усилителе или анодного в ламповом. Для уменьшения постоянной составляющей рабочую точку выбирают в районе «0».
На вход НЭ приложено напряжение 
(1)
Используем кусочно – ломанную аппроксимацию.
Ток на выходе НЭ при работе с отсечкой тока имеет импульсную форму, спектр которого содержит 
множество гармоник, частоты которых кратны частоте входного сигнала 
. На выходе усилителя будет напряжение близкое к гармоническому.
 |
0 1 2 3
Определим КПД НРУ: 
.
Проведём оценку предельного КПД.
В предельном режиме 
, тогда
(2)
(3)
Вывод: в предельном режиме КПД зависит от угла отсечки.
Изменение угла отсечки изменяет КПД усилителя. Чем меньше угол отсечки, тем выше КПД. Поэтому с точки зрения эффективности использование источника питания выгоден режим с малым углом отсечки, когда КПД усилителя приближается к единице. Однако при этом приходится существенно увеличивать амплитуду входного сигнала, что не всегда возможно. Обычно используют угол отсечки от 
до 
. При этом КПД равняется 70 – 80 %.
Замечание: если необходимо усиливать АМ сигналы, то используют режим работы нелинейного резонансного усилителя с углом отсечки 
.
Некоторые характеристики нелинейного усилителя.
А. Идеальный усилитель (без учёта внутреннего сопротивления транзистора).
Схема замещения выходной цепи усилителя представлена на рисунке. Активный элемент замещается генератором импульсного тока, однако, напряжение на резонансном контуре создаётся только первой гармоникой тока. 
- резонансное сопротивление контура.
|
|
|
Первая гармоника тока определяется следующим выражением 
(4)
- средняя крутизна по первой гармонике 
- амплитуда входного сигнала.
Параметр 
, выраженный через отношение амплитуд тока к напряжению, является как бы усреднением по всему периоду колебаний.
Зависимость первой гармоники тока от амплитуды входного сигнала 
называется колебательной характеристикой.
Основное требование к колебательной характеристики – её линейность, что особенно важно при усилении АМ сигнала.
Из выражения (4) видно, что колебательная характеристика в общем случае нелинейна, поскольку угол отсечки зависит от амплитуды возбуждающего напряжения
(5)
для нелинейного режима.
Колебательная характеристика линейна, когда положение рабочей точки на ВАХ совпадает с её началом, т.е. угол отсечки равен 
. Вид колебательной характеристики зависит от напряжения смещения.
Напряжение на резонансном контуре создаётся только первой гармоникой тока и определяется выражением 
(6)
где 
- коэффициент усиления (7)
Для линейного усилителя формула, определяющая коэффициент усиления такая же, только вместо 
, т.е. 
(8)
Особенностью нелинейного усилителя является то, что коэффициент усиления является не постоянной величиной, а зависит от амплитуды входного сигнала и смещения.
Рассмотрим случай реального усилителя с учётом внутреннего сопротивления транзистора.
Схема для одной частоты – для первой гармоники тока. 
- внутреннее сопротивление транзистора по первой гармонике тока. 
(9)
при 
Чтобы это условие выполнялось необходимо частичное включение контура (резонансное сопротивление уменьшается без уменьшения добротности), это позволяет исключить влияние транзистора на контур. Нелинейные резонансные усилители способны усиливать ВЧ сигналы с любым видом модуляции. Для того, чтобы они не вносили искажений в передаваемое сообщение они должны работать:
1) для усиления сигналов с АМ - с углом отсечки ,
2) для усиления ФМ и ЧМ – угол отсечки меньше .
Для того, чтобы усилитель не вносил искажений в передаваемый радиосигнал, необходимо, чтобы полоса пропускания нагрузки была не менее ширины спектра р/с. Желательно, чтобы в полосе пропускания АЧХ имела П-образный характер, поэтому в качестве нагрузки используют связанные контура.
