Мощные высокочастотные транзисторы (стр. 33 )

5.4. АВТОМАТИКА И УПРАВЛЕНИЕ В УСИЛИТЕЛЯХ МОЩНОСТИ

Важной составной частью усилителя мощности являются цепи автоматики и управления. Их функции заключаются в стабилизации уровня выходного сигнала, защите транзисторов выходного каскада при нарушении нормальных условий эксплуатации, обеспечении воз­можности контроля основных характеристик и индикации работо­способности усилителя, а также во включении, переключении на по­ниженную мощность и выключении усилителя, коммутации фильтров и т. п. [74].

Две первые функции осуществляются путем изменения уровня сигнала по команде устанавливаемых в различных местах датчиков. Одним из таких датчиков является датчик согласования с нагруз­кой. Обычно он устанавливается на выходе фильтра и дает инфор­мацию об отклонении нагрузки усилителя от установленного значе­ния. С помощью этого же датчика устанавливается требуемый уро­вень сигнала ири работе на согласованную нагрузку. Электрическая схема датчика, примененного в усилителе с выходной мощностью 80 Вт диапазона 2 — 30 МГц, показана на рис. 5.13. Здесь информа­ция о падающем и отраженном сигналах, получаемая посредством трансформатора тока Т1, конденсаторов С2 и С4, выпрямителей на диодах VDI и VD2, через усилитель У1 и диод VD3 поступает на усилитель постоянного тока цепи автоматической регулировки уси­ления (АРУ). Переменными резисторами R1 и R4 устанавливается необходимый порог срабатывания регулировки.

Рис. 5.13. Слема датчика падающего и отраженного сигналов с ис­пользованием трансформатора тока (Вход 1 — от фильтра усилителя; Выход 1 — к согласующему устройству; Выход 2 — к УПТ АРУ)

Рис. 5.14. Схема датчи­ка падающего и отра­женного сигналов на ос­нове резистивного моста (Вход 1 — от фильтра усилителя: Выход 1 — к согласующему устройст­ву; Выход 2 — к УПТ АРУ)

На рис. 5.14 показана схема более простого датчика, регистрирую-щего изменения нагрузки, начиная с определенного предела [76]. Его основу составляет сбалансированный мост из резисторов Rl — R3 и сопротивления нагрузки (включаемого через согласующее устрой ство); в одну диагональ моста включен выход усилителя (через фильтр), а в другую — промежуток эмиттер — база транзистора VT1 и резистор R4. Конденсатор СЗ необходим в этом устройстве для предотвращения пробоя транзистора при превышении амплиту­дой сигнала напряжения питания датчика.

При использовании таких датчиков особое внимание следует обращать на необходимость их слабой связи с каналом передачи сигнала. При несоблюдении этого требования за счет нелинейных элементов датчика возрастают нежелательные колебания. Часто именно по этой причине уровень гармоник не удается ослабить ниже минус 70 — 80 дБ.

Среди других датчиков следует отметить датчик тока потреб­ления. Его основу, как правило, составляет включаемый в цепь пи­тания резистор, по падению напряжения на котором устанавливает ся порог регулирования; по достижении порога регулирующий элемент цепи АРУ снижает уровень входного сигнала, обеспечивая ра­боту усилителя без превышения потребляемой от источника питания мощности.

Рис. 5.15. Схема датчика потребляемого тока (Выход 1 — к зажи­мам питания усилителя; Выход 2 — к УПТ АРУ;  Выход 1 — от ис­точника питания)

Схема такого датчика, примененного в усилителе выходной мощности 15 Вт диапазона 2 — 30 МГц, показана на рис. 5. 15. Ра­ботает датчик следующим образом. С повышением тока через рези­сторы R2, R3 возрастает ток транзистора У2, и увеличившееся на пряжение на резисторе R5 через резистор R7 и диод VD1 поступает в цепь авторегулировки. Транзистор У1 в диодном включении и ста­билитрон VD2 здесь необходимы для обеспечения стабильной рабо­ты датчика в условиях меняющихся температуры окружающей среды и напряжения питания.

Рис 5.16. Схема датчика остаточного напряжения и устройства стабилизации режима предоконечного каскада (Вход У — смешение предоконечного каскада; Выход 1, 2-к коллекторам транзисторов выходного каскада усилителя; Выход 3 - к УПТ АРУ)

В линейных усилителях часто используется датчик остаточного напряжения на коллекторах транзисторов выходного каскада. С его помощью снижается уровень сигнала, как только режим работы до­стигает границы области недонапряженного режима, при переходе через которую начинают резко расти нелинейные искажения. Схема этого датчика вместе со схемой источника смещения транзисторов предоконечного каскада усилителя с выходной мощностью 15 Вт диапазона 2 — 30 МГц приведена на рис. 5.16. Работа устройства заключается в следующем. При уменьшении остаточного напряже­ния на коллекторах транзисторов выходного каскада ниже напря­жения открывания любого из обратносмещенных диодов VD3 VD4 Диод VD4, выпрямляя пе­ременный сигнал, уменьша­ет положительное напряже­ние смещения транзистора триггера 1У1 и тем самым 2У1. Появляющееся вслед­ствие этого напряжение на резисторе R14 через рези­стор R15 и развязывающий диод VD5 поступает в ка­нал авторегулировки. Кас­кад на транзисторе VT1 вырабатывает напряжение, определяющее порог от­крывания диодов VD3, VD4, и напряжение смещения для транзисторов тригге­ров 1У1 и 1У2. Кроме того, этот каскад обеспечивает необходимое для работы в линейном режиме напряжение смещения транзисторов предоконечного каскада усилителя мощности и его изменение по требуемому закону [77] с изменением температуры корпуса радиатора в месте расположения этих транзисторов (с помощью диода VD2 — датчика температуры). Такая же цепь, обеспечивающая требуемые для линейного усиления напряжение и выходное сопротивление источника смещения выход­ного каскада, показана на рис. 5.17.

Рис. 5.17. Схема устройств стаби­лизации режима оконечного каскада

В усилителях мощности часто применяются датчики температу­ры, с помощью которых снижается уровень сигнала при достижении заданного наибольшего значения температуры корпуса транзистора или, что проще, температуры определенного места радиатора. В ка­честве такого датчика обычно используется имеющий хороший теп­ловой контакт с радиатором терморезистор или полупроводниковый диод, включаемый в цепи, аналогичные показанным на рис. 5 15 и 5.16.

На рис. 5.18 показана схема усилителя постоянного тока АРУ усилителя с выходной мощностью 15 Вт диапазона 2 — 30 МГц вме­сте с необходимой при усилении AM сигнала цепью, обеспечивающей малую постоянную времени установления и большую — поддержа­ния авторегулировки, а также с цепью снижения постоянной време­ни поддержания АРУ при настройке антенно-согласующего устрой­ства (на транзисторе триггера 2У1).

Наряду с датчиками и усилителем постоянного тока важную роль в цепи автоматики играет регулирующий элемент. Как прави­ло, это малосигнальный усилитель с регулируемым коэффициентом

передачи [78, 79], устанавливаемый в канале промежуточной ча­стоты тракта формирования сигнала или в тракте усиления сформи­рованного сигнала. В самом усилителе мощности его роль может также играть управляемый регулятор напряжения питания предва­рительного усилителя. В этом случае обеспечивается высокая устой­чивость усилителя в процессе регулировки, но такая регулировка к сожалению, неприемлема для линейных усилителей. Нередко в ка­честве регулирующих элементов, особенно на высоких частотах и при больших уровнях сигналов, используются цепи на p-i-n диодах Иногда, как уже отмечалось, цепи автоматики используются для контроля основных параметров усилителя и индикации его ра­ботоспособности. Для этого на соответствующие разъемы (для кон­троля) и люминесцентные диоды (для индикации на табло опера­тора) подаются усиленные сигналы соответствующих датчиков.

Рис. 5.18. Схема усилителя постоянного тока системы АРУ с цепя­ми управления (Вход 1 — датчики АРУ; Вход 2 — внешнее управле­ние; Выход 1 — на регулировочный элемент АРУ; Выход 2 — к цепи смещения; Выход 3 — управление при настройке СУ)

5.5 КОНСТРУКЦИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ

Важную роль как при построении, так и при эксплуатации усилителя мощности играют конструкция и связанные с ней вопросы теплоотвода. Поскольку конструкцией в значительной степени опре­деляется объем усилителя, в последнее время все чаще используется оценка по такому параметру конструкции, как удельная мощность, определяемому отношением номинальной выходной мощности к объ­ему усилителя. Если не учитывать радиатор, функции которого в усилителях с выходной мощностью до 15 Вт обычно выполняет корпус приемопередатчика, то для современных усилителей мощ­ности диапазона до 100 МГц, характеризующихся максимальным перекрытием по частоте, удельная мощность составляет 20 - 40 Вт/дм3. На частотах выше 100 МГц это значение возрастает до 60 — 100 Вт/дм3 за счет сокращения числа сосредоточенных и увели­чения занимающих значительно меньший объем распределенных элементов. Интересно, что соотношение объемов трех составляющих усилитель мощности узлов: каскадов усиления, фильтрации и авто­матики — примерно одинаково во всех диапазонах частот и состав­ляет соответственно 40, 45 и 15 %. Это, например, видно из рис. 5.20, где в развернутом виде показан усилитель с выходной мощностью 80 Вт диапазона частот 2 — 30 МГц. Здесь фильтры поддиапазонов частот, коммутируемые с помощью электромагнитных реле, разме­щены на печатной плате, крепящейся к откидной крышке корпуса усилителя (см. рис. 5.20 слева). Катушки индуктивностей фильтров не видны, так как они расположены с обратной стороны платы. Каскады усиления и цепи автоматики смонтированы на печатных платах, крепящихся к корпусу-радиатору (см. соответственно внизу и вверху правой части рис. 5.19).