Усиление мощности электромагнитных колебаний

Мощность электромагнитных колебаний на выходе автогенератора или синтезатора частот невелика, поскольку главное требование к этим устройствам — стабильность частоты и низкий уровень шума. Для того чтобы осуществить радиосвязь на достаточно приличных расстояниях, требуется усиление мощности.

Усилитель мощности — это радиотехническое устройство, на вход которого поступают электромагнитные колебания с частотой со и мощностью Р_ох, а с выхода в нагрузку передаются колебания с той же частотой, но мощностью Р_вых > /L • Кроме того, к усилителю мощности подводится постоянное напряжение от источника питания.

Увеличение мощности в усилителе происходит благодаря преобразованию энергии постоянного электрического поля источника питания в энергию электромагнитных колебаний. Такое преобразование осуществляет активный элемент цепи. В качестве активных элементов чаще всего применяют различного вида транзисторы: биполярные и полевые.

Обычно в высокочастотных усилителях до частоты ~1 ГГц применяют биполярные транзисторы п-р-п типа. На более высоких частотах используют полевые транзисторы с барьером Шоттки и гетероструктурах.

Структура усилителя мощности

Для того чтобы активный элемент, например, биполярный транзистор, эффективно преобразовывал энергию, нужно поставить его в оптимальный режим работы. Режим работы по постоянному току осуществляется путем подачи на коллекторный р-п переход запирающего напряжения, а на эмиттерный р-п переход открывающего напряжения (рис. 6.1). В этом случае транзистор работает в активной области.

Рис. 6.1. Схема включения биполярного транзистора п-р-п типа по постоянному току.

Один из электродов транзистора заземляют по постоянному току. На рис. 6.1 это эмиттер.

Оптимальный режим работы транзистора по переменному току осуществляется путем формирования определенных форм колебаний тока и напряжения на электродах транзистора, т. е. оптимальных зависимостей i_K(t), u_K(t)_} где i_E(t), i_K(t), — мгновенные токи базы и коллектора, u_B(t), u_K(t) — мгновенные напряжения на базе и коллекторе. Кроме того, для осуществления оптимального режима работы транзистора следует нагрузить его на вполне определенное сопротивление нагрузки.

Важной задачей при построении усилителя является наиболее полная передача мощности от источника к транзистору. Если источник колебаний представить в виде эквивалентной схемы, содержащей идеальный генератор напряжения и включенное последовательно внутреннее сопротивление R_IKT, а транзистор — его входным сопротивлением Z_BX (рис. 6.2), то максимальная мощность в нагрузке выделяется при равенстве.

Рис. 6.2. Пояснение необходимости согласования сопротивлений

В данном случае нагрузкой является транзистор, и Z_BX — его входное сопротивление. Входное сопротивление имеет комплексный характер, поэтому для выполнения условия (6.1) между источником и транзистором нужно поставить согласующую цепь, преобразующую комплексное сопротивление Z_BX в сопротивление, равное 7?__1ст.

На выходе усилителя между транзистором и нагрузкой также следует включить выходную согласующую цепь, преобразующую стандартное сопротивление нагрузки в сопротивление, обеспечивающее оптимальный режим работы транзистора.

Учитывая изложенное, структурную схему усилителя мощности можно представить в виде, изображенном на рис. 6.3.

Рис. 6.3. Структурная схема усилителя мощности.

Цепи питания и смещения предназначены для того, чтобы подвести постоянные напряжения к базе и коллектору транзистора и разделить цепи постоянного и переменного токов.

Как очевидно из рис. 6.3, эмиттер транзистора заземлен по постоянному и переменному токам, т. е. является общим для входной и выходной цепей усилителя. Схема с общим эмиттером (ОЭ) — наиболее часто применяемая в усилителях.