Делаем усилитель мощности высокой частоты (УМВЧ)

Автор:
Опубликовано 01.01.1970

Ну, в-общем, генератор мы сделали, и это оказалось ну совсем не сложно и не так страшно, как обещало быть. Собственно, зря боялись. Если теперь подключить к верхней (по схеме) стороне колебательного контура антенну, то свежесгенерированный ВЧ-сигнал торжественно полетит в эфир.

На повестке дня вопрос: а как далеко он улетит??? А вот тут начинаются сложности. Сгенерить то мы сгенерили, но мощность нашего генератора - просто мизерная. Да собственно, это и правильно: генератор не обязан обладать выдающимися мощностями выходного сигнала. Его задача - несколько в ином - сгенерировать сигнал со стабильной частотой. Значит, рано нам еще в эфир :( Для начала, нужно этот сигнал усилить. То есть - увеличить его мощность.

Что такое мощность?
Как вы, конечно же, помните, мощность - это произведение напряжения на ток: P=UI.

То есть, чтобы увеличить мощность, необходимо усилить либо напряжение либо ток, либо и то и другое. Однако ток зависит от напряжения, а напряжение - от тока (закон Ома, кто не знает - тот отдыхает :)). Так что же мы будем усиливать?

А и то и другое!

Для этого нам нужно достать из коробочки еще один транзистор и сделать на нем усилительный каскад.

Усилительный каскад - это как-бы "ступень" в усилителе. Любой усилитель состоит из одного или нескольких усилительных каскадов. Каждый каскад обладает своим коэффициентом усиления (к.ус.). Общий к. ус. всего усилителя равен произведению к. ус. всех его каскадов.

Рисуем схему:

Как видите, и вход и выход схемы сделаны в виде трансформаторов. Это нужно для того, чтобы отсечь постоянный ток, если таковой будет. Как мы помним, трансформатор пропускает только переменный ток.
Он то нам и нужен.

Первичной обмоткой трансформатора T1 будет контурная катушка генератора.

Вторичная обмотка подключена непосредственно к базе транзистора. Соответственно, когда ток будет идти в направлении базы ("снизу-вверх"), транзистор будет открываться, и "дергать" колебательный контур, включенный в коллекторную цепь.

Заметим, что этот колебательный контур должен быть настроен на ту же частоту, что и контур генератора…

Ах да! Я же еще об этом не говорил!

Дело в том, что у каждого колебательного контура есть своя частота резонанса или резонансная частота (кому как нравится). То есть - частота, с которой происходят свободные колебания в этом контуре. Поскольку генератор просто-напросто поддерживает "на плаву" эти свободные колебания - то частота генератора также равна резонансной частоте контура.

Чем же определяется эта частота?
Конечно же - параметрами элементов, из которых состоит контур - катушки и конденсатора.

Какие же параметры есть у этих двух товарищей?

Начнем с конденсатора. Его самое главное свойство - это емкость. Емкость определяет, какой заряд сможет принять в себя конденсатор. На водяной модели мы бы назвали емкостью объем наших несчастных бутылок. Емкость обозначают латинской С и измеряют в Фарадах [Ф]. Фарада - женского рода, запомните это.

Кроме того, Фарада - это очень большая величина. Для сравнения - емкость нашей родной планеты - всего 0,000711 Ф. Поэтому чаще используют более мелкие единицы: микро-, нано- и пикофарады.

1мкФ = 0,000 001 Ф
1 нФ = 0,001 мкФ = 0,000 000 001 Ф
1 пФ = 0,001 нФ = 0,000 000 000 001 Ф

Существует такое правило: на схемах емкости конденсаторов обозначают либо в пикофарадах, либо - в микрофарадах. При этом, пишется только число без букв. Например:

С1 - 1000
С2 - 47,0
С3 - 0,1
С4 - 560

Так вот, запомните: если в числе, обозначаемом емкость, есть запятая - значит это микрофарады, если запятой нет - то это пикофарады. В приведенном примере C1 и C4 указаны в пФ, C2 и C3 - в мкФ.
Нанофарады выражают до 10нФ - через пико-, после 10 нФ - через микрофарады.

Понятно? Значит едем дальше.

А как вы думаете, каким свойством обладает катушка индуктивности? Ни за что не догадаетесь! Ну?...

Не догадались? Катушка индуктивности обладает индуктивностью. Все очень просто!

Мы уже говорили, что у катушки - чрезвычайно скверный характер. Она препятствует увеличению тока, когда он хочет увеличиваться, и уменьшению - когда он хочет уменьшаться. Вредная она!

Так вот, индуктивность - это показатель степени "вредности" катушки. Чем больше индуктивность - тем невыносимее ее характер. На водяной модели "индуктивность" турбины зависела от массы колеса, сидящего на ее оси. Значит, индуктивность, переводя на механику, можно назвать "инерционностью"…
Индуктивность обозначается буквой L и выражается в Генри [Гн].

Мы чаще всего будем юзать единицу, в миллион раз мельче - микрогенри (мкГн).

Ну что, готовы к сложностям?
Поехали!

Вот вам формула расчета резонансной частоты колебательного контура. Желательно, чтобы она занимала в вашей памяти 2-й приоритет после закона Ома. А еще лучше - если они будут наравне :)

Как видите, и L и C стоят в знаменателе - значит частота тем больше, чем меньше емкость конденсатора и чем, опять же, меньше индуктивность катушки. В принципе, это было и так понятно. Достаточно лишь вспомнить водяную модель колебательного контура и немножко подумать.

Кстати, важный момент: все единицы в формуле (в этой, да и во всех остальных) ставятся в абсолютных, а не кратных значениях. Так что, если нам требуется, скажем, узнать резонансную частоту контура, в котором C = 100 пФ, L = 40 мкГн - то придется сначала перевести емкость в Фарады, а индуктивность - в Генри. И результат мы получим, опять же, в Герцах, а не в Мегагерцах, или чем-то там еще. Увы - этот мир не совершенен… :(

Ну да ладно. Пора заканчивать лирическое отступление. Короче вы поняли - у любого контура есть fрез. Ура!

Так вот, нам нужно, чтобы резонансные частоты контуров генератора и усилителя совпадали. Иначе наш усилитель ничего усилить не сможет.

Вы часом в детском саду не прыгали на пружинных кроватях? Не увлекались, нет?
Кайф - хочу я вам сказать - неописуемый, как сейчас помню!

Немного углубимся в физику сего процесса.
Матрас "хочет" колебаться со строго определенной частотой. У него, знаете ли, тоже есть резонансная частота. Она зависит от упругости матраса и массы прыгающего.
Если частота ваших прыжков совпадает с частотой колебания матраса - то все в порядке, прыгаем высоко и весело. Но стоит сбиться с ритма, попытаться прыгать медленнее или быстрее - и у нас ничего не выйдет, и колебания матраса затухнут :(

То же самое и с нашим усилителем: если транзистор будет "дергать" колебательный контур, подключенный к его коллектору, с частотой, равной частоте резонанса этого контура - то ток будет прыгать высоко и немножко даже весело.

Но если "сбиться", уменьшить или увеличить частоту "дерганья" - ритм собьется и никакого усиления не получится…

Ну в-общем, вот так… Соответственно, с колебательного контура усилителя мы уже подаем сигнал в антенну. Делаем мы это опять же через трансформатор - для согласования сопротивлений усилителя и антенны.

ЧЕГО? Я и про это еще не рассказывал??? Ну да, не рассказывал… Ничего, расскажу! Но - попозже…

Короче, с УВЧ разобрались, поехали дальше…

<<--Вспомним пройденное----Поехали дальше-->>