Материал: Методические указания по дисциплине «Основы теории радионавигационных систем и комплексов» для студентов специальности 210601 «Радиоэлектронные системы и комплексы». Рахманин Д.Н., Тихомиров Н.М

, (5.10)

где

Выразим через коэффициент использования коллек­торного напряжения в критическом режиме ζ_кр = u_{k кр} /е_к. Учитывая, что , получаем и соответственно

. (5.11)

Графики на рис. 18.2 построены в предположении, что критический режим наступает при Θ_кр = 180° и ζ_кр = 0,8. В этом случае KПД режиме молчания η_{э мол} = 31,4 %, а в максимальном режиме, соответствующем (-cosΘ) = 0,5 (Θ = 120°), η_{э тах} = 42,5 %.

Для более эффективного использования АЭ по мощности целесоо­бразно настраивать усилитель на критический режим в максимальной точке линейного участка модуляционной характеристики I_к1 (е_с), например при (-cosΘ_Kp) = 0,5 (Θ_кр = 120°). Этого можно добиться двумя способами: снижением напряжения питания (как показано на рис. 18.1) или увеличением высоты импульса тока i_к.м при постоянном Е_к. В первом случае зависимости I_к1 , I_к0 (E_c) изменяются только в перенапряженном режиме (штриховые линии на рис. 18.1), мощность P₁ остается неизменной, а мощность Р₀ уменьшается из-за снижения напряжения питания (назовем новое значение е_к.н). Можно показать, то при ζ_кр = 0,8 в исходном режиме и переходе в КР при Θ = 120° получим е_к/е_кн =1,19 (см. задачу 4 в контрольных вопросах к этой главе). Это означает, что электронный КПД возрастет в 1,19 раза и составит 50 % в КР и 37 % в режиме молчания.

Во втором случае, чтобы настроиться в КР при прежнем значении Е_к, увеличим высоту импульса тока i_{к м} в точке Θ=120° до значения i_к._м.кр соответствующего Θ = 180° в исходном режиме. В этом случае значения и остаются прежними, а элект­ронный КПД согласно (4.8) увеличивается в раза и достигает 39 % в режиме молчания и 53 % в максимальном (крити­ческом) режиме.

В процессе модуляции постоянная составляющая тока коллектора и силу слабой нелинейности модуляционной характеристики I_{к0 мод} (E_c) практически не меняется, так что можно принять I_{к0 мод} = I_{к0 мол} и соответственно Р_{к0 мод} = Р_{к0 мол}. В то же время колебательная мощ­ность за счет мощности боковых составляющих увеличивается и, следовательно, согласно принципу баланса мощностей на то же значение уменьшается мощность, рассе­иваемая на коллекторе:

, (5.12)

Таким образом, мощность, рассеиваемая на коллекторе в режиме молчания, больше, чем при модуляции, и в этом режиме следует про­водить оценку теплового режима АЭ. Электронный КПД при модуля­ции повышается:

(5.13)

однако при среднестатистическом значении т_ср = 0,3...0,5 это увели­чение незначительно.

Низкое значение КПД в режимах молчания и модуляции является существенным недостатком модуляции смещением. Это обусловлено тем, что при молчании режим недонапряженный и коэффициент использования коллекторного напряжения в 1,6... 1,7 раза меньше критического. Кроме того, в критическом режиме усилитель работает при угле отсечки 120°, не оптимальном в энергетическом отношении.

При выборе АЭ по номинальной мощности, как упоминалось ранее, исходят из значения мощности Р_{1 тах} = Р_{1 мол}(1 + т) ² . Здесь т = 0,6...0,7 — максимальная глубина модуляции коллекторного тока при модуляции смещением. В максимальной точке модуляционной характеристики выбирают режим критический, рассчитывают все пока­затели режима и проверяют выполнение условий по максимально допустимым значениям тока коллектора (i_к.м < i_к._доп) и напряжения между коллектором и эмиттером (е_к.э.max = Е_{к max} + U_к.кр < е_к.э.доп).

В режиме молчания оценивают мощность рассеяния на коллекторе и сравнивают ее с допустимой: Р_{рас.мол} = Р_{0 мол} – Р_{1 мол} ^< Р_к.доп. В минимальном режиме определяют модуль обратного пикового напряжения на эмиттерном переходе и проверяют соотношение

Нагрузкой выходного каскада модулятора служит входная цепь АЭ модулируемого каскада. Поскольку гармоника входного (базо­вого) тока модулирующей частоты I_Ωб в десятки раз меньше выход­ного тока I_{к1 мол}, а напряжение на входе U_Ω на порядок меньше амп­литуды напряжения на коллекторе U_к.мол , мощность модулятора составляет несколько процентов Р_{1 мол}. В этом достоинство модуля­ции смещением по сравнению с рассматриваемыми далее системами коллекторной и комбинированной модуляции.

5.3. Усиление модулированных колебаний

Усиление модулированных колебаний (УМК), или модуляция воз­буждением, применяется в тех случаях, когда модуляция смещением выполнена в одном из промежуточных каскадов передатчика. Это позволяет заметно снизить требования к модулятору и путем углубл­ения модуляции при усилении довести коэффициент модуляции в выходной ступени до требуемого значения т = 1. Модуляция возбуж­дением применяется в однополосных передатчиках систем связи, в мощных каскадах телевизионных передатчиков изображения и др.

При усилении АМ-колебаний на вход каскада (на базу транзис­тора) подается напряжение возбуждения высокой частоты с коэффициентом модуляции т_в

. (5.14)

Неискаженное усиление АМ-колебаний возможно в линейном режиме при Е_с> Е' + U_{б mах} и при работе в недонапряженном режиме с углом отсечки Θ = 90° (Е_с = Е'). Первый вариант не применяется из-низкого электронного КПД в режиме молчания η_{э мол} ≤10 %. Во втором случае, поскольку Е_С = Е', угол отсечки Θ = 90° не зави­сит от U₆. Модуляционные характеристики токов I_к1(U_б), I_к0 (U₆) кусочно-линейной модели АЭ в этом случае представляют собой прямые линии:

,

выходящие из начала координат и переходящие в почти горизонтальные линии в перенапряженном режиме (рис. 4.5). Реальные характеристики из-за нижнего загиба статических характеристик i_к(и_б) имеют аналогичный нелинейный участок при малых токах. Однако нелинейные искажения оказываются достаточно малыми, чем и обусловлено широкое применение этого режима при усилении модулированных и однополосных колебаний.

При запирающем смещении Е_с < Е' ток появляется в точке U_{б min} = Е' - Е_с , в которой Θ = 0. Далее с ростом U_б высота импульса и угол сечки резко увеличиваются, так что модуляционные характеристики на всем протяжении, кроме начального пологого участка, близки к линейным. Как видно из рис. 19, во избежание перемодуля-

Рис. 19. Нормированные модуляционные характеристики первой гармоники кол­лекторного тока при усилении AM колебаний для разных значений напряжения смешения:

ции выходного сигнала коэффициент модуляции входного напряже­ния должен быть не выше

, (5.15)

где — напряжение отсечки кусочно-линейной функции, аппрок­симирующей зависимость I_к1(U_б). Выразив отношение U’_б/U_{б max} через угол отсечки в критическом режиме U'₆/U_6m!iX = a cosΘ_кp, где а = 1,2 при чебышевском критерии близости аппроксимации, получим

(5.16)

Заметим, что а = 1, если U'₆ = U_6min = Е' - Е_с (так как cosΘ_кp = ) и а=4/π если U'₆ соответствует прямой, прове­денной по касательной в точке I_{к1 кр} модуляционной характеристики.

На основании (5.16) можно решить обратную задачу — найти тре­буемый угол отсечки Θ_кр, если задана глубина модуляции входного сигнала:

(5.17)

Например, при значениях т_в = 0,6...0,7, характерных для модуля­ции смещением, получаем cosΘ_кp = 0,20...0,147 (Θ_кр = 78...82°). Таким образом, рассмотренный режим можно применять в каскаде, стоящем непосредственно после каскада, модулируемого смещением. Энергетические показатели в режиме усиления АМ-колебаний получаются примерно такими же, как при модуляции смещением. АЭ выбирают исходя из пиковой мощности . Режим в пиковой точке близок к критическому: ζ_mах = (0,95... 1 )ζ_кр. При ζ_mах = 0,8 и Θ = 90° имеем η _{э max} =0,63. В режиме молчания уменьшаются вдвое при т = 1. В режиме модуляции согласно (5.13) КПД повыша­ется. Таким образом, наибольшая мощность рассеивается на коллек­торе в режиме молчания. Значение U_{б max} определяют в максималь­ном режиме, при этом U_{6 мол} = U _{б mах}/ (1 + т_в).

При модуляции смещением и усилении АМ-колебаний постоян­ная составляющая входного тока зависит от коэффициента модуля­ции, поэтому следует применять фиксированное смещение от источ­ника с малым внутренним сопротивлением.

Общий КПД передатчиков при модуляции смещением и последую­щем усилении АМ-колебаний получается низким, что препятствует их применению в радиовещании и системах профессиональной связи.

5.4. Коллекторная модуляция

Этот вид модуляции осуществляется изменением коллекторного напряжения в такт с модулирующим низкочастотным сигналом и_Ω = cosΩt. Модулирующее напряжение вводится последовательно с напряжением питания Е_{к мол}, определяющим режим молчания:

, (5.16)

где модуляция реализуется в перенапряженном режиме. В максимальной точке режим АЭ критический. Импульс тока, опреде­ляемый входным высокочастотным напряжением u_б = U_б cos ωt и фик­сированным смещением Е_с, имеет постоянный нижний угол отсечки . Остаточное напряжение на коллекторе е_{к min кр} = Е_{к max} - U_к.mах. По мере уменьшения Е_к в импульсе появляется и величивается провал. При Е_к < е_{к min кр} импульс из-за отсечки на уровне S_KpE_K становится трапецеидальным, а верхний угол отсечки Θ! стремится к Θ.

Рис. 20. Временные диаграммы формирования импульсов коллекторного тока при коллекторной модуляции (представленные формы импульсов тока коллек­тора соответствуют точкам 1—4 на рис. 21)

Рис. 21. Статические моду­ляционные характеристики I_к0 (E_к), I_к1,(E_к) (в амперах) и отклонение характеристики I_к1 I_к1 (E_к) от линейной (в амперах)

Процесс формирования импульсов тока i_к(ωt) иллюстрируется на рис. 4.6. Зависимость I_к1 (Е_к) близка к линейной, характеристика I_к0 (E_k) существенно нелинейная (рис. 4.7). В режиме молчания, в котором отклонение от линейной зависимости близко к максимальному, ∆ I_к1/ I_к1mах = 0,068, а для постоянной составляющей ∆ I_к0/ I_{к0 max}= 0,16, т.е. в 2,3 раза больше (численные данные отно­сятся к значению ζ_кр = 0,8).

Расчет модуляционных характеристик. Примем кусочно-линейную модель безынерционного АЭ и рассчитаем сначала зависи­мость I_к1 (Е_к). Расчет выполним двумя способами. Первый, основанный на графическом решении трансцендентных уравнений, предложен СИ. Евтяновым [5].

По условию задачи напряжения Е_с, U₆, cosΘ= -(Е_С- E')/U₆ и сопротивление коллекторной нагрузки R_K считаются постоянными. В результате ток I_к1 в ПР является функцией только напряжения на кол­лекторе: