Например, Бобцов

ЗАЩИТА ПОЛОСОВЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ ОТ ПЕРЕГРУЗОК И МОДУЛЯЦИЯ АМПЛИТУДЫ МОЩНЫХ СИГНАЛОВ

58 А. А. Титов
УДК 621.375.026
А. А. ТИТОВ
ЗАЩИТА ПОЛОСОВЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ ОТ ПЕРЕГРУЗОК И МОДУЛЯЦИЯ АМПЛИТУДЫ МОЩНЫХ СИГНАЛОВ
Показано, что биполярный транзистор представляет собой управляемый ограничитель мощных сигналов с диапазоном около 40 дБ. Рассмотрены возможности его использования для построения устройств защиты полосовых усилителей мощности от перегрузок, а также модуляторов амплитуды мощных сигналов.
Ключевые слова: биполярный транзистор, модулятор, полосовой усилитель мощности, полоса пропускания.
Амплитуды модулирующих сигналов, подаваемых на входные цепи полосовых усилителей мощности, могут изменяться в широком динамическом диапазоне [1, 2]. Это требует применения специальных схем ограничения уровня сигнала. Для решения этой задачи предложено использовать биполярный транзистор [3].
На рис. 1 приведена принципиальная схема полосового усилителя мощности с коэффициентом усиления 20 дБ, максимальным уровнем выходной мощности 30 Вт и полосой пропускания 425…435 МГц. В усилителе функцию элемента управления амплитудой и одновременно функцию самоуправляемого ограничителя входных сигналов выполняет биполярный транзистор VT1 [3]. Методика настройки подобных полосовых усилителей подробно описана в работе [4].
Ограничитель работает следующим образом. На базу транзистора VT1 с делителя на резисторах R4 и R5 через резистор R2 подается постоянное запирающее оба перехода транзистора напряжение. На вход полосового усилителя мощности и одновременно на эмиттер транзистора VT1 подается переменное высокочастотное напряжение усиливаемого сигнала, которое распределяется между емкостями эмиттерного и коллекторного переходов. Значение постоянного напряжения на базе транзистора устанавливается равным амплитуде переменного высокочастотного напряжения коллекторного перехода транзистора, что соответствует номинальному значению переменного высокочастотного напряжения на входе полосового усилителя; т.е. значение постоянного напряжения на базе транзистора устанавливается приблизительно равным половине амплитуды номинального значения входного высокочастотного сигнала.
При воздействии на вход усилителя сигнала, амплитуда напряжения которого превышает амплитуду номинального значения входного напряжения, в положительный полупериод воздействия переменного сигнала напряжение на эмиттере транзистора VT1 превышает напряжение на его базе. Эмиттерный переход открывается, и через коллекторную цепь протекает ток αIэм [5], где α — коэффициент передачи эмиттерного тока, Iэм — ток эмиттера. При мгновенном значении входного воздействия, превышающем номинальное, участок эмиттер — коллектор транзистора представляет собой двухполюсник с сопротивлением Rвх =Uвх αIэм , которое составляет единицы ом. В отрицательный полупериод воздействия переменного входного сигнала, превышающего по амплитуде его номинальное значение, открывается коллекторный переход транзистора VT1, и через транзистор протекает ток αI Iк , где αI — коэффициент передачи тока коллектора при инверсном включении транзистора, Iк — ток коллектора. При отрицательной полуволне входного напряжения, амплитуда которой превышает амплитуду номинального напряжения, участок эмиттер — коллектор транзистора также представляет собой двухполюсник, сопротивление которого составляет единицы ом. В этом случае мощное входное воздействие оказывается двусторонне ограниченным.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 9

Вход

VT2 КТ315В

C6 0,1 мк R5 9,1 к

R12 3,3 к VD1 КС224Ж

R2 R4 300 1 к C3
0,1 мк

R7 2

R8 24 VT4 КТ817Б

L5 C10 50 нГн 0,1 мк

C12 47 мк R13


C4
47 мк

C7 0,1 мк

R10 56

VT6 КТ817Б

R1 25

VT1 КТ361А

L1 25 нГн

R3 75

R6 5,1 L2 90 нГн C2 15

L3 10 нГн VT3 КТ930А

R9
2
L4 90 нГн
C8 27

L6 50 нГн VT5 КТ930А

R11 360 L7 L8 2 нГн 8 нГн

C17 47 мк

VD4 КД509А

R15 R16 24 к 1,5 к

C14 0,1 мк

C16 0,1 мк

VD3 КС215Ж

R17 2,4 к R18 3,3 к
R19 2,2 к

R14 50

VD2 КД509А

C15 0,1 мк

НО

C19 5,6

L9 L10 30 нГн 52 нГн

VD5 КД213А
+ 24 В VT7 КТ315В t°

L11 30 нГн

Выход

C1 C5 6,8 39

C9 C11 C13 18 39 18

C18 5,6

Рис. 1

60 А. А. Титов

Транзистор VT1 выполняет также функцию управляемого ограничителя при срабатыва-

нии схемы защиты от рассогласования по выходу, при превышении напряжением питания

номинального значения, при термозащите.

С увеличением рассогласования нагрузки полосового усилителя мощности и его вы-

ходного сопротивления напряжение, снимаемое с выхода направленного ответвителя (НО),

увеличивается, и на вход детектора на диоде VD2 подается напряжение, пропорциональное

напряжению, отраженному от нагрузки усилителя. При номинальном значении выходной

мощности и коэффициенте стоячей волны по напряжению (КСВН) со стороны нагрузки, пре-

вышающем максимально допустимое значение, транзистор VT2 открывается. Это приводит к

уменьшению напряжения, подаваемого на базу транзистора VT1 со схемы управления на

транзисторе VT2, уменьшая амплитуду входного воздействия, поступающего на вход полосо-

вого усилителя мощности. Поэтому мощность сигнала на выходе усилителя падает пропор-

ционально росту КСВН нагрузки. Порог срабатывания схемы защиты от рассогласования

усилителя по выходу устанавливается выбором резистора R15.

Достоинство рассматриваемого схемного решения построения системы защиты усили-

теля от перегрузок заключается в том, что ограничение мощного входного сигнала происхо-

дит еще до появления сигнала обратной связи. Таким образом, транзистор VT1 выполняет

одновременно функцию самоуправляемого ограничителя мощных входных сигналов и функ-

цию управляемого ограничителя при рассогласовании нагрузки усилителя и его выходного

сопротивления. Система защиты полосового усилителя мощности (см. рис. 1) позволяет со-

хранять его работоспособность при превышении на 10 дБ входным сигналом номинального

значения, соответствующего выходной мощности усилителя, равной 30 Вт.

Как показывают исследования, амплитуда сигнала, поступающего на вход полосового

усилителя мощности, линейно зависит от напряжения, поступающего на базу биполярного

транзистора VT1 в диапазоне около 40 дБ. Указанные свойства биполярного транзистора мо-

гут быть использованы для построения модуляторов амплитуды мощных сигналов [6].

В качестве примера на рис. 2 приведена принципиальная схема устройства регулировки

и модуляции амплитуды мощных сигналов, разработанная на основе функциональной схемы,

предложенной в работе [6]: здесь UΩ — модулирующий сигнал; Uω — модулируемый сиг-

нал; Uвых — выходное напряжение; Eп — напряжение питания; Uупр — управляющее на-

пряжение.

17 Lн1Гн Uω
С1 17

38 Lн2Гн 1С02

КТV8T114Г

17 Lн3Гн 1С75

38Lн4Гн 1С06

Uвых

UΩ

1 См3к 1R201

1Rк2

U упр

+Еп 2R,23к

1 См4к

Рис. 2
Характеристики модулятора: максимальный уровень входной мощности не менее 50 Вт; полоса рабочих частот 200…240 МГц; сопротивление генератора и нагрузки 50 Ом; область регулирования выходной мощности 0,04…46 Вт; максимальная частота модуляции, при которой отсутствуют заметные искажения формы огибающей выходного сигнала, 10 МГц.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 9

Защита полосовых усилителей мощности от перегрузок

61

Элементы L1, C1, L2, C2 и L3, C5, L4, C6 образуют фильтры нижних частот с частотой среза, равной 240 МГц, и предназначены для подавления высших гармонических составляющих в спектре выходного сигнала. Резистор R3 служит для изменения управляющего напряжения.
При использовании рассматриваемого устройства (см. рис. 2) в качестве модулятора
амплитуды значение Uупр следует устанавливать равным 0,25 от значения амплитуды моду-
лируемого сигнала. В этом случае при отсутствии сигнала модуляции напряжение на выходе будет равно 0,5 амплитуды модулируемого сигнала.
Анализ работы схемы показывает, что выходное сопротивление генератора модулируемого сигнала должно намного превышать сопротивление транзистора VT1 в режиме насыщения. Этого недостатка можно избежать, если воспользоваться модулятором с последовательно-параллельным включением закрытых биполярных транзисторов [7]. Принципиальная схема модулятора, разработанного на основе функциональной схемы, приведенной в работе [7], представлена на рис. 3 [8]. Характеристики этого модулятора совпадают с характеристиками модулятора, приведенного на рис. 2. Кроме того, он может работать как от генератора тока, так и от генератора напряжения. Недостатком схемы является необходимость использования трансформатора со средней точкой во вторичной обмотке, что компенсируется возможностью увеличения мощности модулируемого сигнала.

L1 17 нГн Uω
С1 17

L2 38 нГн
С2 10

VT1 КТ814Г

VT2 КТ814Г

L3 17 нГн
С4 17

L4 38 нГн
С5 10

Uвых

R1 120

С3 1 мк

R2 120

+Еп

TV UΩ

R3 2,2 к

Рис. 3

На рис. 4 представлена экспериментальная осциллограмма огибающей сигнала на выходе

модулятора (см. рис. 3) при использовании в качестве модулирующего сигнала тестового вось-

миступенчатого телевизионного видеосигнала яркости, спектр ко-

Uвых, В

торого находится в полосе частот

45

50 Гц…6,5 МГц, частота несущей 30

составляет 223,25 МГц. Масштаб времени на оси абсцисс не обозначен. Длительность фронтов сигна-

15 0

t

ла на выходе устройства не превышает 80 нс, что соответствует требованиям [9], предъявляемым к

–15 –30

телевизионной радиопередающей –45

аппаратуре. Таким образом, использова-
ние биполярного транзистора с

–60

Рис. 4

закрытыми переходами в устройствах защиты полосовых усилителей мощности от перегру-

зок позволяет создавать усилители, способные сохранять работоспособность при произвольных

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 9

62 А. А. Титов
нагрузках и перегрузках по входу, превышающих номинальное значение входного сигнала в десятки раз. Кроме того, использование свойств биполярного транзистора с закрытыми переходами позволяет значительно упростить схемные решения по реализации устройств регулировки и модуляции амплитуды мощных сигналов.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант 08-02-99025-р_офи.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Иванов В. К. Оборудование радиотелевизионных передающих станций. М.: Радио и связь, 1989. 336 с.

2. Проектирование радиопередатчиков / В. В. Шахгильдян, М. С. Шумилин, В. Б. Козырев и др.; Под ред. В. В. Шахгильдяна. М.: Радио и связь, 2000. 656 с.

3. Пат. 2217861 РФ. Устройство для защиты усилителя мощности от перегрузки / А. А. Титов, В. Н. Ильюшенко // Опубл. 27.11.2003. Бюл. № 33.

4. Титов А. А. Транзисторные усилители мощности МВ и ДМВ. М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2006. 328 с.

5. Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. М.: Энергия, 1977. 672 с.

6. Пат. 2240645 РФ. Амплитудный модулятор мощных сигналов / А. А. Титов, В. Н. Ильюшенко // Опубл. 20.11.2004. Бюл. № 32.

7. Пат. 2307452 РФ. Модулятор амплитуды мощных сигналов / А. А. Титов, В. Н. Ильюшенко // Опубл. 27.09.2007. Бюл. № 27.

8. Титов А. А. Регулировка и модуляция амплитуды мощных сигналов // Электросвязь. 2007. № 12. С. 46—48.

9. ГОСТ Р 50890 – 96. Передатчики телевизионные маломощные. Основные параметры. Технические требования. Методы измерений. М.: Изд-во стандартов, 1996. 36 с.

Александр Анатольевич Титов

Сведения об авторе — д-р техн. наук, профессор; Томский государственный университет
систем управления и радиоэлектроники, кафедра радиоэлектроники и защиты информации; E-mail: titov_aa@rk.tusur.ru

Рекомендована кафедрой радиоэлектроники и защиты информации

Поступила в редакцию 20.06.08 г.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 9