Усилитель класса F

Работа усилителя класса F во многом подобна работе усилителя класса B. Ток в рабочем режиме через транзистор протекает ровно половину периода (угол отсечки равен 90°). Поэтому усилители класса F подходят для усиления сигналов с видами модуляции, содержащими амплитудную составляющую. Отличие рассматриваемых схем от усилителей класса B заключается в схеме нагрузки. За счет этой схемы в данных высокочастотных усилителях мощности обеспечивают в момент протекания тока напряжение на транзисторе близкое к нулю. Поэтому в усилителях класса F теоретически достижим к.п.д., близкий к 100%.

Для выполнения поставленного условия напряжение на стоке транзистора необходимо максимально приблизить к прямоугольной форме. В простейшем случае достаточно к синусоидальному напряжению полезного сигнала добавить третью гармонику, как это показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Суммирование нечетных гармоник напряжения на стоке полевого транзистора

Учитывая, что в спектре тока транзистора, работающего при угле отсечки 90°, присутствует третья гармоника входного сигнала, достаточно просто выделить ее. Обычно третья гармоника выделяется при помощи параллельного контура, работающего как заграждающий фильтр (фильтр-пробка). Типовая принципиальная схема усилителя класса F приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Принципиальная схема усилителя класса F

В приведенной на рисунке 2 схеме индуктивность L1 и конденсатор C2 образуют схему согласования сопротивления. Напряжение смещения, необходимое для реализации угла отсечки 90°, подается на затвор транзистора через дроссель L2. Напряжение питания на сток полевого транзистора подается через дроссель L3. Усилитель класса F реализуется за счет настройки контура L4C5 на третью гармонику усиливаемого сигнала. Параллельный контур L5C6 настроен на частоту усиливаемого сигнала.

В области высоких частот вместо параллельного контура в усилителях класса F применяются четверть волновые полосковые линии передачи, настроенные на третью гармонику полезного сигнала. Они обеспечивают параллельный резонанс не только на третьей гармонике, но и на пятой, седьмой и т.д. гармониках. В результате форма напряжения на стоке транзистора становится почти прямоугольной. Упрощенная схема такого усилителя мощности приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Упрощенная схема усилителя мощности класса F с последовательной четверть волновой линией передачи

Временные диаграммы напряжения и тока на стоке транзистора в усилителе класса F приведены на рисунке 3.

Рисунок 4. Временные диаграммы тока и напряжения на стоке полевого транзистора

Как видно из этих графиков, напряжение и ток практически не пересекаются. В результате при максимальном значении мощности выходного сигнала, когда напряжение на стоке транзистора практически равно нулю, мощность практически не рассеивается и почти полностью преобразуется в полезный сигнал.

В усилителях класса F так же как и в усилителях класса B коэффициент полезного действия сильно зависит от уровня выходного (а, значит, и входного) сигнала. Максимальное значение получается при предельных уровнях мощности. Типовая зависимость к.п.д. и коэффициента усиления показаны на графиках, приведенных на рисунке 5.

Рисунок 5. Типовая зависимость к.п.д. усилителя класса F и его коэффициента усиления от уровня входного сигнала

Обратите внимание на зависимость коэффициента усиления от входного сигнала. Из графика видно, что усилитель класса F обладает существенной нелинейностью, поэтому в передатчиках чаще всего используется одна из схем линеаризации выходного сигнала.

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
Радиопередающие устройства: учебник для ВУЗов; под ред. В. В. Шахгильдяна. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 2003.

Радиотехника Классы усилителей Реальная физика ТОЭ ТЭЦ Работы с генератором Тесла

Знаете ли Вы, что такое "усталость света"?
Усталость света, анг. tired light - это явление потери энергии квантом электромагнитного излучения при прохождении космических расстояний, то же самое, что эффект красного смещения спектра далеких галактик, обнаруженный Эдвином Хабблом в 1926 г.
На самом деле кванты света, проходя миллиарды световых лет, отдают свою энергию эфиру, "пустому пространству", так как он является реальной физической средой - носителем электромагнитных колебаний с ненулевой вязкостью или трением, и, следовательно, колебания в этой среде должны затухать с расходом энергии на трение. Трение это чрезвычайно мало, а потому эффект "старения света" или "красное смещение Хаббла" обнаруживается лишь на межгалактических расстояниях.
Таким образом, свет далеких звезд не суммируется со светом ближних. Далекие звезды становятся красными, а совсем далекие уходят в радиодиапазон и перестают быть видимыми вообще. Это реально наблюдаемое явление астрономии глубокого космоса. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира