УДК 621.396.61

Обзор теории и практики расчета и анализа работы выходного каскада тракта передачи на рассогласованную нагрузку

Каждый разработчик при проектировании радиопередающих устройств сталкивается с проблемой обеспечения выходной мощности и устойчивости в условиях рассогласования с нагрузкой. Если провести поиск информации по данному вопросу. то неизбежно приходишь к выводу. что ее очень недостаточно, чтобы ответить на все вопросы, возникающие при разработке радиопередатчиков.

Целью данной статьи является предоставление начальных сведений об особенностях работы оконечных каскадов усилителей мощности в условиях рассогласования. Представленная статья составлена по материалам книг известных авторов в области проектирования радиопередающих устройств.

Влияние на работу выходного каскада рассогласования с нагрузкой рассмотрено в работе [1].

Нагрузкой выходных каскадов передатчика является антенна, входное сопротивление которой в широком диапазоне частот изменяется весьма сильно. Поэтому при проектировании выходных каскадов важным вопросом является обеспечение работоспособности каскада при изменении нагрузки от оптимального значения (рассогласовании). Степень рассогласования оценивается величиной максимального значения модуля коэффициента отражения от нагрузки  . Фазу коэффициента отражения считают произвольной, т.е. считают, что сопротивление нагрузки может принимать любое значение в пределах заштрихованной на рисунке 1 области, ограниченной линией максимального значения sm, относительно точки, соответствующей согласованию с нагрузкой.

 
Рисунок 1 – Область возможных значений сопротивления нагрузки усилителя при рассогласовании с коэффициентом отражения 

Анализ режима рассогласования проводится в предположении косинусоидальной формы импульсов тока и напряжения в цепи коллектора (стока) транзистора, т.е. без учета нелинейности входных и выходных характеристик транзистора, емкостей его p-n переходов и сопутствующих им инерционных процессов. На рисунке 2 приведены диаграммы токов и напряжений транзистора в двухтактной схеме без развязки и при наличии отражений от нагрузки

.
 
Рисунок 2 – Динамические характеристики двухтактного усилителя и временные диаграммы коллекторного тока и напряжения при рассогласовании

Нагрузочная прямая I соответствует работе на согласованную нагрузку, характеризующаяся амплитудой напряжения на коллекторе (стоке) Uк(с) и амплитудой импульса коллекторного (стокового) тока iкм (iсм). Эти величины выбираются таким образом, чтобы при появлении отраженной от нагрузки волны, не превышающей значения sm, режим работы транзисторов не выходил за границы предельно допустимого как с точки зрения линейности усиления, так и с точки зрения сохранения работоспособности усилителя.
Наиболее тяжелые условия работы транзистора соответствуют случаю, когда коэффициент отражения в месте подключения транзисторов имеет вещественный характер. Нагрузочная прямая II соответствует положительному значению коэффициента отражения, прямая III – отрицательному. В режиме II достигает наибольшего значения напряжение на коллекторе (стоке) транзистора (мгновенное значение). Импульс коллекторного (стокового) тока имеет в этом случае минимальное значение. Для того, чтобы транзистор не выходил за пределы области линейного усиления, напряжение источника питания выбирается в   раз большим в сравнении с работой в режиме согласования.
При отрицательном значении коэффициента отражения (режим III) наибольшего значения достигает мощность, рассеиваемая на коллекторе (стоке) транзистора.

В этой же работе [1] указывается, что при проектировании источника питания следует учитывать, что при рассогласовании мощность, потребляемая каскадом, может возрасти в  раз по сравнению с величиной, рассчитанной для режима согласования.

Кроме того, при работе на несогласованную нагрузку, помимо обеспечения линейности усиления и сохранения работоспособности транзистора, важное значение для оценки широкополосных свойств каскада имеет степень изменения мощности в нагрузке.
На рисунке 3 а, б изображено изменение мощности в нагрузке двухтактного и двухтактного мостового усилителя при рассогласовании соответственно и где Рн/Рн0 – отношение мощности в режиме рассогласования к уровню мощности в согласованном режиме;  - отношение внутреннего сопротивления транзистора Ri к значению сопротивления нагрузки при согласовании R0.

 
а) б)
Рисунок 3 (014)– Изменение мощности в нагрузке двухтактного а) и
мостового б) при рассогласовании

Из рисунков следует, что во всех случаях, исключая предельные значения  (0 и бесконечность), выходная мощность усилителя падает при рассогласовании. Задачей разработчика найти такое схемное решение, которое позволило бы работать усилителю как можно в больших пределах допустимого рассогласования без заметного снижения его выходной мощности.

Другая работе [2], посвященная особенностям работы транзисторов в режиме рассогласования, носит в основном описательный и рекомендательный характер и не дает каких либо математических выражений, описывающий этот режим.
В работе указывается, что по данным экспериментальных исследований при произвольном изменении нагрузки напряжение на коллекторе транзистора и ток через транзистор могут изменяться весьма значительно: их пиковые значения могут в несколько раз превосходить напряжение и ток, соответствующие оптимальному режиму на выходе транзистора. Если подобные условия возникают на выходе транзистора, работающего в реальном устройстве, то он может оказаться очень сильно перегруженным по напряжению, току и мощности. На случай подобных ситуаций аппаратура снабжается защитными устройствами, но, как правило, такая защита срабатывает через сравнительно большой промежуток времени — до десятых долей секунды. Необходимо, чтобы транзистор, оказавшийся в реальных условиях, выдерживал рассогласованный режим.
Добиться этого можно различными путями:

1. можно эксплуатировать транзисторы при сниженных значениях выходной мощности и напряжения питания. При этом напряжение и выходную мощность надо снижать до тех пор, пока не будет гарантировано, что при любых условиях рассогласования на выходе ток через транзистор, напряжение на нем и рассеиваемая мощность не будут превосходить предельно допустимые значения. В этом случае транзисторы будут выдерживать рассогласованный режим в течение любого времени. Однако возможности их при этом будут чрезвычайно сильно недоиспользованы.
2. можно для транзисторов, работающих в ВЧ усилителе в номинальном режиме по отдаваемой мощности и напряжению питания, определить на основе экспериментальных исследований время, в течение которого они могут выдерживать любое рассогласование, или установить условия рассогласования, которые прибор может выдерживать определенное время (например, 1…3 с);
3. возможен еще один вариант. Транзисторы при работе в номинальном режиме могут не выдерживать произвольного рассогласования, но выдержат его при несколько сниженном режиме, когда токи, напряжения и мощности в момент рассогласования будут достигать значений, превосходящих предельно допустимые, но транзисторы будут еще достаточно устойчивы к подобным перегрузкам.

Способность транзисторов выдерживать перегрузки зависит от имеющихся запасов по напряжению, току и допустимой мощности рассеяния, но при этом надо учитывать следующее. Если перегрузка происходит по напряжению, то транзистор или не выдержит ее при весьма кратковременном воздействии (как только наступит необратимый электрический пробой), или будет устойчив к ней достаточно длительное время (если при перегрузке необратимый электрический пробой не наступает). Если же происходят перегрузки по току или мощности рассеяния, то устойчивость к ним, безусловно, зависит от их продолжительности, так как оба вида перегрузок приводят к общему или локальному разогреву прибора.
Если при рассогласовании ни напряжения, ни токи, ни мощности не будут превосходить предельно допустимые значения, то никаких специальных мер по обеспечению надежности не требуется.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ существующего положения в части работы тракта передачи РПДУ на рассогласованную нагрузку показывает:

1. наиболее тяжелые условия работы транзистора соответствуют случаю подключения вещественной нагрузки с положительным или отрицательным коэффициентом отражения. При этом возможны перегрузки транзистора по импульсному напряжению или току соответственно [1];
2. анализ работы каскада проводится при предположении косинусоидального характера импульсов тока и напряжения в цепи коллекторе транзистора, т.е без учета инерционных и нелинейных его свойств [1];
3. рассмотрены методы защиты транзисторов от рассогласования путем уменьшения коэффициента их нагрузки, а также введения дополнительных схем защиты [2].

  СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ