Нелинейное резонансное усиление

В качестве примера использования нелинейных цепей рассмотрим нелинейный резонансный усилитель. Линейные усилители имеют малый КПД из-за небольшой доли переменной составляющей тока I₁ от постоянного тока I₀, отбираемого от источника питания. Применяются для усиления слабых сигналов в приемных устройствах. В передающих устройствах из-за большой мощности важно поднять КПД, что осуществляется переводом в сильно нелинейный режим с отсечкой тока. Для сохранения структуры усиливаемого сигнала на выходе ставят фильтры (резонансный или связанные контуры), которые для основной частоты имеют большое сопротивление и, следовательно, дадут на выходе большую амплитуду напряжения, а для кратных гармоник – малое сопротивление, сравнимое с коротким замыканием, что определяет малую амплитуду высших гармоник в выходном напряжении.

Принципиальная схема замещения для первой гармоники

резонансного усилителя

Если не учитывать обратной реакции выходного напряжения на ток I₁(внутреннее сопротивление транзистора R _i>> Z_экв), то

;

;

где - эквивалентное сопротивление контура. Введем среднюю крутизну характеристики для первой гармоники:

, причем . При учете выходного напряжения на ток (конечность Ri) часть тока ответвляется и мы получим:

,

где есть внутренняя проводимость нелинейного элемента, приведенная к току первой гармоники. Заменяя здесь , получим . Отсюда коэффициент передачи . Здесь S_cp и R_i’ зависят от угла отсечки Θ и, следовательно, амплитуды входного напряжения Е. КПД усилителя .

Умножение частоты

Наличие в составе тока усилителя, работающего в нелинейном режиме, гармоник, кратных основной частоте возбуждения, позволяет использовать его в качестве умножителя частоты. Для этого необходимо настроить нагрузочный колебательный контур на частоту выделяемой гармоники. Амплитуды высших гармоник растут при уменьшении угла отсечки.

, где α_n = I_n/I_m – n-й коэффициент Берга, определяющий I_n при заданном максимальном токе через прибор I_m. Максимум n-го коэффициента Берга α_{n max} достигается при Θ = 2π/3n. Для каждой гармоники вводится своя средняя крутизна

. Соответственно, и внутреннее сопротивление электронного прибора приводится к используемой гармонике , коэффициент передачи .

за счет увеличения сопротивления контура может быть доведено до значения, близкого к . Отношение максимально (близко к двум) при малых Θ, однако при этом снижается амплитуда первой гармоники I₁. Практически принимают Θ ≈ π/2, при этом угле α₁, а следовательно и , слабо зависит от Θ, а следовательно, и от амплитуды входного сигнала. В этом случае , . При наличии амплитудной модуляции КПД снижается на множитель 1/(1 + M), где М – глубина модуляции. Угловая модуляция на КПД не влияет.

Поиск по сайту: