8.5. НЕЛИНЕЙНОЕ РЕЗОНАНСНОЕ УСИЛЕНИЕ

В предыдущих главах линейные усилители трактовались как усилители слабых сигналов, при которых амплитуда переменной составляющей тока в активном элементе (например, в цепи коллектора транзистора) составляет небольшую долю от постоянного тока отбираемого от источника питания усилителя. При этом коэффициент полезного действия (КПД), определяемый как отношение мощности выходного сигнала к мощности, потребляемой от источника энергии, весьма мал. (В резонансных усилителях, применяемых в радиоприемных устройствах, отношение настолько мало, что вопрос о КПД вообще не принимается во внимание.)

При значительной требуемой мощности сигнала 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, естественно, должна быть сохранена структура усиливаемого сигнала.

Рассмотрим сначала гармонический сигнал на входе усилителя. Схема нелинейного резонансного усилителя не отличается от схемы, рассмотренной в гл. 5 (рис. 5.13). Основное отличие — в режиме работы усилительного прибора. Сдвигом рабочей точки на вольт-амперной характеристике влево и увеличением амплитуды входного колебания устанавливается режим работы с отсечкой тока — коллекторного в транзисторном усилителе или анодного в ламповом. Подобный режим представлен на рис. 8.10, а.

В дальнейшем рассматриваются особенности нелинейного режима, характерные для любого типа усилителя. Ток в выходной цепи усилителя при работе с отсечкой имеет импульсную форму (см. рис. 8.11) и содержит наряду с постоянной составляющей и полезной первой гармоникой ряд высших гармоник, которые должны быть подавлены (отфильтрованы). Эту задачу решает параллельный колебательный контур, настроенный на частоту входного колебания. При резонансе токов эквивалентное сопротивление араллельного контура между точками 1—2 (см. рис. 5.13) очень велико и является сопротивлением нагрузки усилителя. По отношению же к высшим гармоникам тока контур, обладающий достаточно большой добротностью Q, можно рассматривать как короткое замыкание. В результате, несмотря на искаженную импульсную форму тока , на нагрузочном контуре, как и в линейном усилителе, выделяется напряжение, очень близкое к гармоническому.

Установим соотношения между напряжениями и токами основной частоты в нелинейном усилителе.

В первом приближении, если не учитывать обратной реакции выходного напряжения на ток , т. е. исходить из обобщенной схемы на рис. 8.13, а, можно воспользоваться формулой (8.20), которая с учетом (8.26) приводит к выражению

откуда

Напомним, что в соответствии с выражением (8.9) коэффициент имеет смысл крутизны вольт-амперной характеристики на линейном участке.

Таким образом,

Рис. 8.15. Общая схема замещения выходной цепи усилителя: а) в режиме с отсечкой тока; б) для 1-й гармоники импульсного тока

Схема замещения выходной цепи усилителя представлена на рис. 8.15, а. Активный элемент замещается генератором импульсного тока, однако напряжение на резонансном контуре создается только первой гармоникой тока и поэтому определяется выражением

(знак минус связан с выбранным на схеме рис. 8.15 направлением тока и отсчетом потенциалов относительно заземленной точки схемы).

Разделив выражение (8.31) на Е, получим параметр

который можно трактовать как среднюю крутизну характеристики для первой гармоники.

Таким образом,

В отличие от дифференциальной крутизны , которая определяется в точке и поэтому при работе на нелинейном участке характеристики зависит от рассматриваемого момента времени, параметр выраженный через отношение амплитуд тока и напряжения, является как бы усредненным по всему периоду колебания. Понятие средней крутизны имеет смысл, если обеспечивается синусоидальность напряжения на нагрузке (несмотря на сложную форму тока ).

При учете влияния выходного напряжения на ток выражение (8.34) должно быть заменено более точным, аналогичным выражению (5.29):

Здесь

представляет собой внутреннюю проводимость нелинейного элемента, приведенную к току первой гармоники.

Подставляя в (8.34) и учитывая (8.32), нетрудно получить следующее выражение для коэффициента усиления при работе с отсечкой тока:

При можно пользоваться приближенной формулой

На основании выражения (8.34) схему замещения выходной цепи усилителя можно привести к виду, представленному на рис. 8.15, б, где обозначает амплитуду напряжения на выходе.

От аналогичной схемы замещения линейного усилителя (см. рис. 5.17, б) эта схема отличается тем, что в ней являются функциями угла отсечки 0 и, следовательно, амплитуды входного напряжения Е.

При усилительный прибор полностью заперт и При 90°, когда ток имеет форму полуволновых импульсов, а при 180° (линейный режим) средняя крутизна стремится к

То обстоятельство, что при изменении амплитуды колебаний изменяются параметры и, следовательно, нарушается пропорциональность между амплитудами на входе и выходе, заставляет трактовать цепь как нелинейную. Но сохранение формы колебания (гармонического) позволяет трактовать цепь как линейную (при фиксированной амплитуде).

Такой подход к анализу нелинейных устройств получил название квазилинейного метода.

Оценим КПД нелинейного резонансного усилителя. Мощность, выделяемая переменной составляющей тока в колебательном контуре (и расходуемая в сопротивлении , учитывающем мощность, передаваемую в нагрузку), а мощность, потребляемая от источника постоянного тока, . Следовательно,

Амплитуда напряжения на контуре может быть доведена до значения, близкого к а отношение токов зависит от угла отсечки 0.

Из графиков на рис. 8.12 следует, что для повышения коэффициента выгодно уменьшать угол отсечки 0. При этом, однако, уменьшается (при заданной амплитуде импульса ), что ведет к уменьшению мощности Р (мощность уменьшается быстрее, чем Р). Поэтому в тех случаях, когда важно максимизировать мощность Р, угол отсечки доводят до , при котором коэффициент достигает максимума, мирясь при этом с некоторым снижением КПД.

Такой подход оправдан при постоянной амплитуде входного сигнала. В случае же усиления амплитудно-модулированного колебания выбор угла отсечки должен быть подчинен требованию обеспечения линейной зависимости тока от амплитуды входного радиосигнала. Это условие обеспечивается при 90°.

Из рис. 8.10 следует, что при изменение амплитуды входного напряжения Е приводит лишь к пропорциональному изменению амплитуды импульса тока при сохранении формы импульса. Таким образом, при работе с отсечкой средняя крутизна не зависит от амплитуды входного сигнала и всегда равна 0,55. При этом коэффициент первой гармоники [см. (8.24)], т. е. амплитуда первой гармоники равна половине амплитуды импульса.

(Это максимальный КПД, соответствующий пиковой амплитуде входного колебания; в режиме же несущего колебания КПД снижается до от максимального значения; М — коэффициент модуляции усиливаемого колебания.)

При угловой модуляции высокочастотного колебания нелинейность режима усиления не оказывает влияния на структуру радиосигнала при любом угле отсечки и любой форме вольт-амперной характеристики (см. § 8.3).