Бестрансформаторные УМ низкой частоты реализуют по двухтактным схемам на транзисторах, как типа p–n–p, так и типа n–p–n (рис. 6.1). Каскады, в которых использованы транзисторы с разным типом проводимости и близкими параметрами, называются каскадами с дополнительной симметрией, а соответствующую пару транзисторов называют комплементарной. Двухтактные УМ могут иметь два раздельных или один общий вход, а также два или один источника питания.

под воздействием противофазных входных напряжений транзисторы VT1 и VT2 работают поочередно, и ток через нагрузку протекает в каждый полупериод входных напряжений.

В схеме двухтактного УМ, приведенного на рис. 9.1, б, объединение двух входов в один достигнуто за счет применения в нем комплементарных транзисторов.

В УМ на рис. 9.1, в используется один источник питания Е_п. Роль второго источника питания выполняет конденсатор большой емкости С. Ток I_э1, протекающий через открытый транзистор VT1, сопротивление нагрузки R_н и конденсатор С, во время отрицательного полупериода входного напряжения заряжает этот конденсатор. Во время положительного полупериода входного напряжения открывается транзистор VT2 и через него протекает ток I_э2. Так как в это время транзистор VT1 закрыт, то в качестве источника питания для VT2 используется напряжение конденсатора С. Емкость данного конденсатора определяется сопротивлением нагрузки и нижней граничной частотой усиливаемого сигнала и для нее справедливо выражение

.

(9.1)

Работа усилительного элемента будет наиболее экономичной, если рабочую точку задать в самом начале передаточной характеристики транзистора (рис. 9.3). В таком режиме, называемом режимом В, при отсутствии входного сигнала мощность, выделяемая на транзисторе, мала. Однако при этом транзистор может усиливать только одну полуволну входного сигнала. Применение в данном случае двух транзисторов, работающих поочередно, обеспечивает возможность усиления обеих полуволн входного сигнала. На рис. 9.4 показаны графики зависимости выходных токов двухтактного выходного каскада, в котором усилительные элементы работают в режиме В.

Токи транзисторов представляют собой импульсы, следующие через половину периода входного сигнала. При нулевом входном напряжении транзисторы закрыты и от источника питания энергия не потребляется. Следует иметь в виду, что схеме транзисторов в режиме В присущи искажения типа «ступенька» (рис. 9.4 б). Они обусловлены малой крутизной характеристики I_к=f(U_бэ) на ее начальном участке, а также тем, что при малых входных напряжениях транзисторы практически закрыты. Для устранения таких искажений транзисторы двухтактного УМ должны быть немного «приоткрыты» в состоянии покоя, когда на входе отсутствует сигнал. Такой режим работы транзисторов называется режимом АВ.

Оценим максимальный кпд УМ при работе транзисторов в режиме В. В схемах двухтактного УМ при работе от одного источника постоянное напряжение в точке соединения эмиттеров транзисторов примерно равно половине напряжения источника питания. Максимальное значение амплитуды напряжения на нагрузке при этом может достигать величины

,

(9.2)

Пусть сопротивление нагрузки R_н подобрано так, что в нагрузке выделяется максимальная мощность

.

(9.3)

(9.4)

.

(9.5)

(9.6)

(9.7)

(9.8)

Лабораторное задание и методические указания

1. Собрать на монтажной плате стенда двухтактный УМ, принципиальная схема которого изображена на рис. 9.5. Значения величин сопротивления нагрузки R_н и емкости С взять согласно варианту задания из таблице. Переменный резистор R2 находится на стенде.

2. Проверить работоспособность собранной схемы. С этой целью подать с генератора на вход УМ гармонический сигнал частотой 1000 Гц и напряжением 5 мВ. Установить величину нагрузки =R_н+R_доп= 30 Ом. Подключить осциллограф к выходу УМ. Убедиться в наличии на выходе схемы усиленного сигнала. При отсутствии последнего на выходе подобрать режим работы выходных транзисторов, изменяя величину резистора R₂.

3. Установить в схеме двухтактного УМ режим В работы выходных транзисторов. Для этого перевести движок резистора R₂ в положение, когда сопротивление между ним и выводом, соединенным с коллектором транзистора VT1, станет равным нулю. На осциллографе должны наблюдаться искажения типа «ступенька».

4. Увеличить входной сигнал с генератора до появления на нагрузке искажений типа «отсечка» (ограничение сигнала сверху или снизу). Измерить напряжение сигнала, подаваемого с генератора на УМ, которое соответствует границе появления искажений типа «отсечка». В дальнейшем при исследовании работы УМ в режиме В подавать с генератора напряжение U_г1, несколько меньшее измеренного.

5. Установить на генераторе величину сигнала U_г1 и зарисовать форму сигнала на выходе схемы. При этом должны наблюдаться искажения типа «ступенька». Подключить поочередно осциллограф к резисторам R₄ и R₅ (контрольные точки А и В на рис. 9.5) и зарисовать осциллограммы напряжений, соответствующих временным изменениям токов, протекающих через транзисторы VT2, VT3.

6. Изменяя сопротивление нагрузки от R_н до R_н+R_{доп макс}, измерить амплитуду напряжения U_н на нагрузке. Рассчитать мощность, выделяемую на нагрузке в исследуемом режиме В, равную P_н/R_н и построить зависимость P_н В=f(R_н). Определить оптимальное сопротивление нагрузки R_опт, при котором в ней выделяется максимальная мощность.

Исследование УМ в режиме А

7. Обеспечить режим А работы выходных транзисторов в УМ. Для этого установить номинальное значение сопротивления =30 Ом и изменяя величину резистора R₂, устранить в выходном сигнале искажения типа «ступенька», переводя таким образом каскад в режим работы, соответствующий режиму А. Подключить поочередно осциллограф к резисторам R₄ и R₅ (контрольные точки А и В). Изменяя величину входного сигнала и величину резистора R₂, добиться наличия в обеих точках гармонического сигнала. В этом случае желательно, чтобы сопротивление резистора R₂ было минимальным, а амплитуда входного сигнала максимальной. Проконтролировать, является ли выходной сигнала гармоническим.

8. Снять и построить графически амплитудную характеристику УМ U_вых=₁(U_вх) при частоте входного сигнала, равной 1000 Гц. Входное напряжение изменять от нуля до появления в выходном сигнале заметных нелинейных искажений. Определить по амплитудной характеристике динамический диапазон УМ и величину входного сигнала для середины линейного участка характеристики. Дальнейшие измерения при работе в режиме А проводить при входном напряжении, соответствующем середине линейного участка характеристики.

9. Снять и построить графически АЧХ УМ K=₂(F). Частоту сигнала, подаваемого с генератора, изменять от 20 Гц до значения, соответствующего уменьшению амплитуды напряжения на нагрузке в раз от своего максимального значения. По полученным данным определить полосу пропускания УМ.

10. Собрать схему, изображенную на рис. 9.6, введя дополнительно сопротивление R, с номинальным значением, выбранным из диапазона 2040 Ом.

1
1. Установить в схеме режим В при оптимальном сопротивлении нагрузки. Измерить падение напряжения U_RВ по постоянному току на резисторе R. Рассчитать кпд усилителя _В в режиме В по формуле _В, где значения R_н опт и U_н опт взять согласно данным п. 6.
12. Установить в схеме режим А при максимальном сопротивлении нагрузки. Измерить падение напряжения U_RA (по постоянному току) на резисторе R. Рассчитать кпд усилителя _А в режиме А по формуле _А, где U_н – величина напряжения на выходе схемы при максимальном сопротивлении нагрузки.

Контрольные вопросы

1. 
   Почему в бестрансформаторных двухтактных УМ транзисторы оконечного каскада должны работать в режиме АВ?
   
2. 
   Почему возникают искажения типа «ступенька»?
   
3. 
   Почему возникают искажения типа «отсечка»?
   
4. 
   Как влияет режим работы оконечных транзисторов УМ на кпд усилителя?
   

При модуляции методом непрерывных колебаний различают амплитудную, частотную и фазовую модуляции. В общем случае высокочастотный модулированный сигнал можно представить в виде

(10.1)

Амплитудная модуляция сигналов

Для выяснения основных особенностей АМ рассмотрим модуляцию несущего гармонического колебания с частотой ₀, изменяющегося по закону

,

(10.2)

(10.3)

,

(10.4)

(10.5)

(10.6)

SAM(t)

(10.7)

Рис. 10.1.

Величина m называется коэффициентом модуляции или глубиной модуляции. Учитывая, что 0 cost1, коэффициент m может быть выражен через наибольшее и наименьшее значения амплитуды модулированных колебаний U_{m н макс} и U_{m н мин} следующим образом:

(10.8)

, 0 < m < 1 или

(10.9)

АМ сигналы получают с использованием нелинейного элемента, которым может являться, в частности, транзистор. В этом случае применяют базовую или эмиттерную модуляцию. Проанализируем работу схемы базовой модуляции на биполярном транзисторе, представленную на рис. 10.2.

В целом это схема нелинейного усилителя высокой частоты с резонансным контуром L₁, C₄ в коллекторной цепи. На базу транзистора через элементы связи и развязки (фильтры) подаются постоянное напряжение смещения с потенциометра R₃, напряжение несущей частоты U₁=S_Н(t) от генератора высокочастотных сигналов, на частоту которого настроен резонансный контур L₁, C₄, и через трансформатор Тр управляющее (модулирующее) напряжение U₂=S_С(t) низкой частоты, причем всегда справедливо неравенство ₀ .

Обсудим назначение элементов схемы и порядок их номинальных значений. С₁ – разделительный конденсатор, предназначенный для передачи на базу транзистора VT без заметного ослабления высокочастотного напряжения U₁. В то же время, эта емкость препятствует попаданию на низкоомный выход генератора высокой частоты низкочастотного управляющего напряжения U₂, а также постоянного напряжения смещения U_бэ, подаваемого на базу транзистора с помощью потенциометра R₃. Конденсатор С₂ является элементом фильтра низких частот. В идеальном случае он должен обеспечивать короткое замыкание для напряжения несущей частоты ₀ в точке соединения элементов R₁ и С₂ и иметь большое сопротивление для низкочастотного управляющего сигнала. Это возможно, если справедливы следующие соотношения:

и		(10.10)
		(10.11)

Конденсатор С₃ является шунтирующим элементом по высокой частоте ₀ и должен обеспечивать короткое замыкание для несущей частоты между клеммами источника питания Е_п. Для низкочастотного управляющего сигнала аналогичную функцию выполняют электролитические конденсаторы блока питания.

Резистор R₂ служит для ограничения тока коллектора, а также для создания отрицательной обратной связи по постоянной и переменной составляющим коллекторного тока, что повышает температурную стабильность работы каскада и устраняет склонность последнего к самовозбуждению.

В рассматриваемой схеме для получения АМ сигнала используется нелинейная зависимость i_к=f(U_бэ). На вход резонансного усилителя, собранного на транзисторе VT, одновременно подаются два переменных напряжения: через разделительную емкость С₁ напряжение несущей частоты ₀ и через трансформатор Тр напряжение модулирующего сигнала частотой . Необходимое для нормальной работы в заданном режиме постоянное смещение на базу транзистора задается делителем напряжения R₃, R₄. Переменное напряжение на входе усилителя представляет собой сумму двух гармонических напряжений

(10.12)

,

(10.13)

Так как резонансный контур, образованный емкостью C₄ и катушками , настроен на частоту ₀, а его полоса пропускания равна =2, то резонанс токов в нем в основном обусловлен составляющими с частотами ₀, (₀+), (₀–). Тогда, обозначив комплексное сопротивление контура через Z, для получим

Это амплитудно-модулированное напряжение с коэффициентом модуляции m=2bU/a. При этом величина U должна быть такой, чтобы выполнялось соотношение m=2bU/a<1.

При выводе последней формулы предполагалась независимость комплексного сопротивления Z от частоты  в полосе пропускания контура. На практике такая зависимость может иметь место, что приводит к некоторым частотным искажениям и, как следствие, к уменьшению коэффициента модуляции на высоких частотах.

Для оптимального режима работы схемы, представленной на рис. 10.2, необходимо обеспечить выбор рабочей точки на середине линейного участка модуляционной характеристики (точка А на рис. 10.3, а), представляющей собой зависимость амплитуды первой гармоники i_m1 коллекторного тока от величины смещения U_бэ при U₂=0. Амплитуду сигнала сообщения при этом выбирают такой, чтобы величина смещения U_бэ во время работы схемы не выходила за пределы линейного участка модуляционной характеристики.

Для получения высокого КПД этой схемы напряжения U₁ и U₂ берут достаточно большими и обеспечивают также незначительную величину тока покоя i_кп. Резонансный усилитель при этом работает в режиме с отсечкой тока, что позволяет характеристику i_к=f(U_бэ) представить в виде кусочно-линейной функции (рис. 10.3, б). Амплитуды соответствующих импульсов коллекторного тока, как видно из рис. 10.3, в, являются функцией модулирующего напряжения частотой . Это ведет к изменению амплитуды первой гармоники, а, следовательно, и к изменению амплитуды напряжения на колебательном контуре.

Квадратичное детектирование применяется для детектирования сигналов малой амплитуды (до 1 В). Такие детекторы, как правило, строятся на транзисторах. При квадратичном детектировании используется начальный участок вольтамперной характеристики (ВАХ) биполярного транзистора или диода (рис. 10.4, а). Этот участок ВАХ можно аппроксимировать полиномом второй степени вида

(10.14)

(10.15)

Как следует из соотношения (10.15), спектр сигнала на выходе детектора содержит постоянную составляющую , высокочастотную , две низкочастотные составляющие , и т. д. Полезный сигнал содержится в низкочастотных составляющих, поэтому высокочастотные гармоники необходимо отфильтровать. Для этого используют простейшие RC-фильтры нижних частот, как это показано на схеме диодного детектора (рис. 10.4, б), зависимость модуля комплексного сопротивления которых от частоты имеет вид (рис.10.4, в).

Если параметры фильтра выбрать так, чтобы

RC=разT,

(10.16)

(10.17)

Присутствие в выражении (10.17) третьего слагаемого, которое полностью отфильтровать с помощью простейшего RC-фильтра практически невозможно, ведет к тому, что коэффициент нелинейных искажений для коэффициента модуляции m=100 % может достигать 25 %. Все это искажает информационный сигнал и, как следствие, ухудшает качество принимаемого полезного сигнала. Другим недостатком рассмотренного режима детектирования является низкий коэффициент передачи напряжения.

В практических схемах чаще всего используется линейный режим детектирования (линейное детектирование), когда рабочая точка расположена на линейном участке ВАХ, что возможно при достаточно большой величине сигнала, поданного на вход детектора. В этом случае ВАХ может быть представлена в виде двух отрезков прямых линий (рис. 10.5, а).

Рассмотрим кратко работу диодного детектора (рис. 10.4, б) в линейном режиме. Допустим, что на вход такого линейного детектора подается АМ сигнал достаточно большой амплитуды, а номинальные значения R и C выбраны так, что угол отсечки =₀/2. Тогда на его выходе будут наблюдаться высокочастотные импульсы тока со сложным спектральным составом. Среднее значение выпрямленного тока будет равно

(10.18)

Учитывая, что (sin–cos) – величина постоянная, а I_m зависит от  как I_m=I₀ (1–mcost), то выражение (10.18) можно переписать в виде

(10.19)

(10.20)

Из соотношения (10.20) следует, что напряжение на выходе детектора пропорционально величине U₀ в первой степени. Это означает отсутствие нелинейных искажений. Тогда коэффициент передачи напряжения линейного детектора буде равен

.

(10.21)

Проанализируем влияние величины постоянной времени _раз на качество работы детектора. ВАХ диода аппроксимируем прямой (рис. 10.5, а). Предположим, что постоянная времени разряда _раз много меньше периода высокочастотных колебаний, т. е. _раз . При этом _раз всегда много больше постоянной времени заряда _зар=R_іC. В этом случае выходное напряжение, т. е. напряжение на конденсаторе С, будет повторять форму импульсов тока, протекающего через диод VD (рис. 10.5, б). Положим далее, что _раз T_. Тогда осциллограммы тока и напряжения на выходе диодного детектора будут иметь вид, подобный изображенному на рис. 10.5, в. В этом случае напряжение на выходе детектора не успевает следовать за низкочастотной составляющей, и появляются искажения. Чем больше глубина модуляции и чем выше частота сигнала , тем сильнее эти искажения. Предположим, что выполняется соотношение (10.16), т.е. RCT_. Этот случай наиболее желателен, так как при этом осциллограммы выходного напряжения и тока имеет вид, подобный представленному на рис. 10.5, г. При этом, чтобы искажения были минимальными, величины R и С выбираются с учетом того, что

,

(10.22)

1. 
   Определить частоту несущей в схеме модуляторного каскада (рис. 10.2), если L₁=+ =60 мкГн, а величина конденсатора C₄ выбирается согласно варианту в таблице.
   
2. 
   В схеме модуляторного каскада (рис. 10.2) рассчитать сопротивление R₄ делителя напряжения в цепи базы транзистора VT так, чтобы напряжение, подаваемое с потенциометра R₃=1 кОм, изменялось от 0 до 1 В при напряжении источника питания Е_п=12 В.
   

3. 
   Рассчитать, согласно формуле (10.22), для диодного детектора (рис. 10.4, б) величины R и С. Расчеты выполнить для трех значений модулирующей частоты F 5 кГц; 10 кГц и 15 кГц, а коэффициент m взять в пределах 0,60,8.
   
4. 
   По величине R оценить входное сопротивление R_вх детектора (рис. 10.4, б), если считать, что R_вх=R/2.
   
5. 
   Зарисовать схемы модуляторного каскада (рис. 10.2) и диодного детектора (рис. 10.4, б). Указать на схемах номинальные значения элементов.
   

Лабораторное задание и методические указания

1. 
   Согласно схемам рис. 7.2 и 7.4, б собрать на стенде модулятор и детектор. Установить напряжение источника питания Е_п=12 В. Проверить работоспособность схемы.
   

Модуляторный каскад

2. 
   Определить экспериментально резонансную частоту f₀ модуляторного каскада.
   

3. 
   Получить на экране осциллографа осциллограммы амплитудно-модулированных сигналов с искажениями различных типов и с минимальными искажениями.
   

Получить АМ сигнал с минимальными искажениями. Измерить для этого сигнала осциллографом напряжения и U_F на ГВЧ и ГНЧ, а также соответствующую величину напряжения смещения U_бэ0. Величину U_бэ0 измерять цифровым вольтметром при отключенном ГНЧ. Зарисовать осциллограмму АМ сигнала с минимальными искажениями и определить для нее по формуле (10.9) коэффициент модуляции m. Величины А и В определяются по осциллограмме, согласно рис. 10.1, в.

4. 
   Снять и построить графически статическую модуляционную характеристику каскада, представляющую собой зависимость напряжения несущей частоты f₀ на выходе модулятора (клеммы 3, ) от величины смещения U_бэ при постоянном напряжении несущей частоты на входе модулятора (клеммы 1, ) =(U_бэ).
   

5. 
   Снять и построить графически амплитудную характеристику модуляторного каскада, представляющую собой зависимость коэффициента модуляции m от величины управляющего сигнала U_F m=(U_F) при фиксированном значении частоты и амплитуды несущей.
   

6. 
   Снять и построить графически амплитудно-частотную характеристику модуляторного каскада m=(F), представляющую собой зависимость коэффициента модуляции m от частоты управляющего сигнала F при постоянных амплитудах несущей и модулирующей частот.
   

Определить для построенной зависимости нижнюю F_н и верхнюю F_в граничные частоты, для чего на графике m=(F) необходимо найти частоты, на которых m уменьшается в 1/ раз от своего максимального значения.

Диодный детектор

7. 
   Определить коэффициент передачи по напряжению детектора (схема рис. 10.4, б) K_д =U_F вых/U_F огиб, где U_F вых – амплитуда напряжения на выходе детектора, а U_F огиб – амплитуда напряжения огибающей высокочастотного сигнала.
   

8. 
   Получить на выходе детектора сигнал для трех значений постоянной времени: а) _раз=RC (согласно расчету); б) _мин=RC_вх (емкость С отключается и остается только емкость схемы); в) _макс=10RC. Зарисовать и пояснить осциллограммы.
   

Контрольные вопросы

1. 
   Объясните принцип работы и назначение всех элементов схем модулятора и детектора.
   
2. 
   Что такое коэффициент модуляции и каковы методы его измерения?
   
3. 
   Чем объясняется нелинейность статической модуляционной характеристики?
   
4. 
   Чем отличается линейный режим детектирования от квадратичного?
   
5. 
   Как зависит коэффициент передачи по напряжению детектора K_д от режима его работы?
   
6. 
   Каким образом выбирается нагрузка детектора? Какими элементами схемы определяется входное сопротивление детектора?