Усилитель класса C

Работа усилителя класса C определяется выбором рабочей точки на характеристике прямой передачи таким образом, чтобы транзистор был заперт, и для его отпирания сигнал на входе должен превысить определенный уровень. В результате на выходе усилительного элемента протекает ток ограниченной снизу синусоиды с углом отсечки меньше 90°. Особенности выбора рабочей точки на характеристике прямой передачи транзистора или электронной лампы, работающей в усилителе класса C показаны на рисунке 1.

Рисунок 1. Выбор рабочей точки на характеристике прямой передачи транзистора в усилителе класса C

Как видно из рисунка 1, в данном классе усиливается только часть периода синусоиды, что приводит к значительным нелинейным искажениям и поэтому такой режим работы транзистора подходит для усиления не всех видов сигнала. Усилитель класса C однозначно не подходит для усиления звука. Из узкополосных радиосигналов точно также он не подходит для усиления амплитудно-модулированных сигналов, в том числе и высокоскоростных сигналов передачи данных, содержащих амплитудную модуляцию, таких как BPSK, QPSK, DQPSK, QAM. В качестве примера на рисунке 2 приведена осциллограмма двоичной фазовой модуляции BPSK.

Рисунок 2. Осциллограмма сигнала двоичной фазовой модуляции BPSK

Как видно из этой осциллограммы глубина паразитной амплитудной модуляции в BPSK превышает глубину модуляции речевого АМ сигнала, что не позволяет применять усилители класса C для усиления данного вида сигнала.

Тем не менее, усилители класса C оказываются очень эффективны для сигналов, в которых информация заключена в изменении фазы несущего колебания. Это такие сигналы как частотная модуляция (ЧМ или FM), фазовая модуляция (ФМ) в том числе такие виды цифровых видов модуляции как GMSK (используется в GSM), GFSK (используется в цифровых системах связи DECT и VDL3). В этих видах модуляции амплитуда несущей остается постоянной в течение сеанса связи, поэтому можно применить для усиления усилитель класса C.

Теперь рассмотрим основные схемотехнические особенности данного вида усилителей. Начнем с каскадов на биполярных транзисторах. Если используются кремниевые транзисторы, то точка b на рисунке 1 соответствует 0,7 В. Это означает, что если базу транзистора соединить с нулевым проводом по постоянному току, то мы автоматически получим усилительный каскад класса C. Подобная схема приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема усилительного каскада класса C

Угол отсечки в данной схеме будет зависеть от амплитуды входного сигнала. Например при амплитуде входного сигнала, равной 1,4 В, входное колебание будет обрезано на половине амплитуды, что соответствует углу отсечки 60°.

Приведение входного и выходного сопротивлений к стандартному значению 50 Ом осуществляется при помощи согласующих цепей L1C2 и L4C4. Они работают как трансформаторы сопротивлений. Конденсаторы C1 и C5 предназначены для развязки усилительного каскада по постоянному току (не пропускают постоянный ток на вход и выход усилителя), а дроссели L2 и L3 обеспечивают режим по постоянному току.

Зависимость угла отсечки выходного тока от уровня входного сигнала является недостатком приведенной на рисунке&nbp;3 схемы усилителя. Для уменьшения угла отсечки, и следовательно увеличения к.п.д., можно добиться подачей на базу транзистора отрицательного напряжения. В радиопередатчиках, работающих с частотной и фазовой модуляцией для данной задачи использовали часть энергии входного сигнала. Его выпрямляли на pn-переходе базы транзистора и заряжали конденсатор. Подобная схема приведена на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема усилителя с автоматическим смещением

В современных схемах усилителей мощности часто используют отдельные микросхемы стабилизаторов напряжения. Их цена упала до приемлемых значений и часто дешевле поставить отдельный стабилизатор напряжения, чем RC цепочку.

Рисунок 5. Схема усилителя с внешним смещением

Применение двухтактных схем в усилителях класса C позволяет уменьшить уровень четных гармоник. Это актуально для относительно широкополосных схем. Кроме того, двухтактные схемы позволяют уменьшить напряжение питания и использовать более маломощные транзисторы. С точки зрения продуктов нелинейности третьего, пятого и седьмого порядков, определяющих уровень излучения на соседнем канале, двухтактные схемы выигрыша не дают.

Рисунок 6. Спектр узкополосного сигнала на выходе усилителя мощности

Усилители мощности радиосигнала класса C получили распространение в радиостанциях наземной радиосвязи с частотной модуляцией. В усилителях мощности сотовых телефонов, предназначенных для работы в сетях GSM, большее распространение получили схемы класса E, которые мы рассмотрим в одной из следующих статей.

Литература:

Steve C. Cripps RF Power Amplifiers for Wireless Communications — ARTECH HOUSE, INC., 2006
Marian K. Kazimierczuk RF Power Amplifiers — John Wiley & Sons, Ltd 2008

Радиотехника Классы усилителей Реальная физика ТОЭ ТЭЦ Работы с генератором Тесла

Знаете ли Вы, что релятивизм (СТО и ОТО) не является истинной наукой? - Истинная наука обязательно опирается на причинность и законы природы, данные нам в физических явлениях (фактах). В отличие от этого СТО и ОТО построены на аксиоматических постулатах, то есть принципиально недоказуемых догматах, в которые обязаны верить последователи этих учений. То есть релятивизм есть форма религии, культа, раздуваемого политической машиной мифического авторитета Эйнштейна и верных его последователей, возводимых в ранг святых от релятивистской физики. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира