Circuitele emitatoarelor RF

Emitatorul transmite un semnal purtator analogic RF de inalta putere, modulatcu un semnal de informatie, convertind cat mai eficient energia sursei de alimentare in putere a semnalului de iesire.

In general, proiectarea sistemului de radiocomunicatii (radiodifuziune) incepe cu determinarea celui mai potrivit tip de modulatie, daca nu este impus si a unei scheme bloc standard - fig 6-1. Schema bloc detaliata pentrui emitator se obtine incpand cu cerintele referitoare la puterea de iesire, randament, largime de banda si liniaritate, clasa amplificatorului de iesire, si apoi prin repetarea acestui proces in sens invers pana la generatorul de purtatoare.

Amplificatoare de putere

In emitatoarelese utilizeaza amplificatoare in clasa le A, B, C acordate cu o largime de banda suficienta pentru a trece fara distorsiuni toate benzile laterale , dar cat se poate de ingusta pentru a reduce armonicele si alte semnale nedorite.

Clasa A este utilizata in etajele de mica putere unde randamentul si puterea disipata nu sunt critice. Conduc continuu, randamentul este de maxim 50% cu iesirea cuplata la transformator si 25% cu iesirea cuplata la un circuit RC.

Amplificatoarele din clasele B si C sunt utilizate pentru putere si randament ridicat.Functionarea in clasa B dse obtine atunci cand dispozitivul activ -tranzistorsau tub

electronic- este polarizat exact la taiere , incat curentul de iesire va curge doar o jumatate de perioada a semnalului de intrare. Randamentul ~78,5%, iar pentru functionare liniara se foloseste configuratia push-pull. Clasa C nu poate fi utilizata in audio , curentul de iesire curgend doar pe durata a mai putin de jumatate din perioada semnalului de intrare. Chiar in configuratia push-pull semnalul este distorsionat . Clasa C se utilizeaza cu circuitel acordate, impulsurile scurte ale curentului de iesire provocand functioanrea la rezonanta a circuitului. Dispozitivul activ este inchis cea mai mare parte din timp , asadar randamentul se apropie teoretic de 100%. In practica insa este limitat la mai putin de 85% pentru a produce putere mare la iesire. Sistemele paralele de amplificatoare tranzistorizate pot atinge sute de Wati in VHF si UHF dar la zeci de KW se utilizeaza tuburi electronice cu vid.

1

Trioda este un tub cu vid avand trei elctrozi . Elementele tubului sunt adesea aranjate intr-un cilindru concentric cu cate un fir metallic de conexiune legat intre fiecare element si pinii soclului. Electrodul de inalta tensiune (anodul), este de obicei, atasat la un conector in partea superioara a tubului pentru a-l izola de ceilalti. Intreaga structura este asezata intr-un balon de sticla sau alt material dielectric care este vidat si sigilat. Catodul este de obicei un cilindru de metal bobinat in jurul unui filament si izolat electric fata de el (incalzire indirecta). Suprafata sa, dintr-un aliaj metallic special, permite emisia cu un minim de energie termica. Filamentul se incalzeste suficient pentru a vaporiza electronii de pe suprafata catodului formand un nor ca cel al moleculelor adunate deasupra apei care fierbe. Anodul (placa) este un cilindru metalic separat plasat in jurul celorlalti electrozi ai tubului . Atunci cand intre anod si catod se aplica o tensiune inalta, electronii eliberati de catod vor fi accelerati spre anod. Grila de control este o sarma infasurata in spatiul catod-anod. Un singur capat al grilei este conectat din punct de vedere electric. Fig 6-2 ilustreaza schematic trioda cu circuitul ei de polarizare . Cand se aplica o tensiune negativa intre grila si catod , campul electric negativ produs respinge electronii ce se deplaseaza spre anod. O tensiune de grila egala cu Eg= -Ep/μ =ECO va intrerupe complet fluxul de electroni spre anod astfel incat Ip=0. Constanta μ, numita factor de amplificare a tubului este o masura a efectului pe care tensiunea grilei raportata la tensiunea anodului il are asupra electronilor. Curentul de iesire al tubului se modifica in ritmul variatiilor tensiunii alternative aplicate grilei, iar o impedanta legata in serie cu anodul si sursa de alimentare Ebb permite aparitia tensiunii alternative ep a anodului. Castigul in tensiune al unui amplificator cu tub, functionand in clasa A in montaj cu catodul la masa si avand rezistrenta interna dinamica a anodului rp iar sarcina ZL esteAv= ep/eg = (-μZL)/(ZL+rp) Tuburile de mare putere in clasa C sunt mai des triode si tetrode . La inalta frecventa, aceste triode sunt cat mai mici posibil si au electrozii apropiati si tensiuni inalte de alimentare pentru a reduce la minim posibil timpul de tranzit catod-anod si densitatea curentului din catod. In UHF si mai sus se utilizeaza clistronul.

Amplificatoare de putere in clasa C

2

Polarizarea amplificatoriului in clasa C este astfel realizata incat dispozitivul activ (tranzistor sau tub) este blocat. Amplificatorul cu tub in clasa C fig 6.3 este tipic polarizat la 2,5 ori tensiunea de taiere data de ecuatia 6-1 unde Ep se inlocuieste cu Ebb E = -Ebb/μ = ECO. Dipozitivul activ nu conduce decat atunci cand varful semnalului de intrare depaseste tensiunea de blocare, iar curentul curge in impulsuri pentru mai putin de jumatate de perioada (<180º); Portiunea din perioda de intrare pentru care curge curentul de iesire este numita unghiul de conductie θ si se da in grade de faza. In practica se face un compromis intre randament mare - θ mic - si puterea mare - θ mare. Se lege un unghi de conductie intre 120ºsi 150º . Cu acest compromis randamentul se situeaza intre 80% si 60% la o putere de iesire mare.

fig 6-4Formele de unda ale tuburilor clasa C apar in figura 6-4 . Se observa mai intai ca tensiunile sunt date in termeni de forta electromotoare(emf) unde e este tensiunea instantanee in c.a., iar E este nivelul de tensiune raportat la pamant.

3

Din figura 6-4 tensiunea de polarizare a grilei Egg, este de 2.5 ori mai mare decat cea de taiere ECO. Varful tensiunii de comanda de intrare vS depaseste tensiunea de taiere a tubului 1, adica acolo incepe sa curga curentul anodic. O functionare optima cere ca semnalul de intrare sa fie destul de mare pentru a pozitiva grila 2, adica acolo unde incepe sa circule curentul de grila zona hasurata. Apar si formele de unda ale curentului din geometria tensiunii de grila din fig 6-4 si 6-5 reiese clar ca θ =(1/2) (180º - θp)iar eg trebuie sa creasca de la Egg la ECO = θ.Daca in general tubul este polarizat la Egg = NECO, unde este tipic N=2,5 atunci eg(pk)sin(θp ) = ECO(1-N). Ca exemplu pentru N=2,5 si θp = 120º rezulta ca eg(pk)=-3ECO.Etajele de putere in clasa C includ un miliampermetru de valoare medie(cc) comutat intre circuitul grilei pentru a urmari nivelul de intrare si circuitul catodului sau anodului, spre a urmari puterea de de iesire. Deoarece grila trebuie pozitivata, iar curentul circula prin circuitul ei , etajul de comanda al tubului trebuie sa furnizeze mai multa putere decat in cazul clasei A. Impulsurile curentului de grila au o valoare medie Ig citita pe instrumentul de c.c. Puterea necesara pentru comanda grilei este dificil de analizat din cauza naturii pulsatorii a curentului, dar o expresie convenabila dezvoltata de H.P. Thomas la inceputul anilor 1930 este Pg = 0,9 eg(pk)Ig (eq 6-5)unde eg(pk) reprezinta variatia varf la varf a semnalului sinusoidal de grila. Pentru o valoare data a unghiului de conductie, valoarea rms a fundamentalei curentului anodic poate fi determinata din tab 6-1 si indicatia instrumentului din circuitul anodic. Se poate astfel calcula puterea semnalului furnizat sarcinii anodice cu Q mare acordata pe fundamentala. pL = [ep(pk)/ ]ip(rms) Curentii armonicelor vor circula de la sursa la sursa spre catod circuitul acordat din anod asigurand impedanta inalta doar la frecventa fundamentala , asadar tensiunea anodica este sinusoidala la aceasta frecventa, fig 6-4. Impedanta ce trebuie vazuta de anod in acest caz este Rp = ep(pk)/( ip(rms))

unghiul de conductie (grade) ip(rms)/i(dc) 180 1.11 tabelul 6-1 raporturile curentilor 170 1.14 in classa C de functionare 160 1.17 150 1.20 140 1.22 130 1.25 120 1.27 110 1.29 100 1.31 90 1.30

Puterea si randamentul

O sursa performanta va mentine Ebb constanta in timp ce furnizeaza impulsuri de curentale caror amplitudini pot deveni destul de mari, functie de unghiul de conductie al anodului θp. La θp = 120º varfurile curentului anodic depasesc de 4,5 ori curentul mediu

4

iar pentru θp = 40, iPmax = 13,4 Ip c.c. Cu Ip citit pe miliampermetrul de c.c. din curentul anodic puterea furnizata anodului este: Pdc = Ebb Ip (eq. 6-8)Puterea disipata in anod Pd si randamentul sunt date de :Pd = Pdc – PL (eq. 6-9)

= PL/Pdc (eq. 6-10)

6.2. Neutrodinarea

Amplificarea si stabilitatea amplificatoarelor de RF pot fi imbunatatite prin reducerea reactiilor parazite, care in general sunt interne dispozitivului activ. Capacitatea electrica anod-grila a amplificatoarelor cu catod legat la pamant asigura asigura o cale pentru aceasta reactie; similar se comporta capacitatea drena-sursa a FET-urilor in configuratia de amplificator cu sursa comuna. Fiindca tuburile si FET-urile au impedante de intrare si iesire mari, calea de reactie interelectrozi trebuie sa aiba o impedanta foarte mare ca sa previna reducerea amplificarii cand faza reactiei este negativa. Daca faza reactiei este pozitiva - amplificatorul va fi regenerativ si va avea o largime de banda foarte ingusta. Prin adaugarea unei cai de reactie paralele, de la iesirea la intrare, reactia interna poate fi anulata, tehnica numita neutrodinare.

Exista numeroase circuite utilizate pentru a furniza un curent cu faza potrivita pentru neutodinare. Doua sunt aratate in figura in fig 6-7 unde indicele n desemneaza dispozotivul care furnizeaza unb curent cu faza si amplitudinea potrivite sa anuleze curentul prin Cbc. In cazul inductorului cu priza - La si Lb in c.a. formeaza o punte cu Cn si Cbe.

5

Circuite integrate in amplificatoarele RF

De la inceputul anilor ’70 s-au produs module de putere cu CI. Dimensiunea lor redusa si siguranta in functionare le-au facut utile mai ales in aplicatii radio mobile si portabile. Schema din fig 6-8 provine de la Notele de Aplicatii Motorola (EB-92A) pentru un amplificator 25 W 144-148 MHZ destinat echipamentului portabil.

La aceste module RF de putere trebuie adaugate doar retele de decuplare de joasa frecventa si proiectat un LPF pentru adaptarea iesirii cu reteaua. Componentele interne de mici dimensiuni decupleaza liniile de alimentare pentru frecvente >5MHz, dar amplificarea mare la frecvente mici face necesara existenta retelelor externe de decuplare.

Retele de adaptare a impedantelor

Una din surprizele posibile in proiectarea amplificatoarelor RF de putere este faptul ca adaptarea impedantei de iesire nu se bazeaza pe criteriul transferului maxim de putere . O cauza este aceea ca adaptand sarcina la impedanta de iesire a dispozitivului rezulta un randament de 50% la transferul de putere. Constrangerile impuse de tensiunea sursei si puterea specifica a iesirii predomina insa. Ca exemplu se presupune ca un amplificator de putere cu semiconductor trebuie sa furnizeze 26 W, iar sursa de energie are tensiunea de 12,5V - tipic pentru emitatoarele mobile. Tensiunea de colector a tranzistorului in cel mai bun caz ajunge la 12,5 Vpk (R=8,842 /26=3 ohmi) asa incat tranzistorul trebuie sa lucreze pe o impedanta de 3Ω( 8,842 /26). Dispozitivul activ trebuie sa aiba impedanta Rc= [VCC-VCEsat]2/(2P) (eq. 6-13)unde VCEsat este tensiunea de saturatie a tranzistorului, care limiteaza varful excursiei semnalului. Tensiunea de taiere (break down BV) trebuie luata si ea in considerare. Pentru o excursie a colectorului Vpk=Vcc, tensiunea sa va ajunge si la 2Vcc. De aceea Vccmax=BV/2 (eq. 6-14)Sistemul de adaptare a impedantelor poate fi un transformator special, utilizat in adaptarea de banda larga sau una dintre variatele retele realizate cu combinatii inductor-capacitor sau cu structuri de linii de transmisie. Scopul retelei de adaptare a impedantei este acela de atransforma o impedanta de sarcina -posibil complexa- intr-o impedanta potrivita pentru functionarea optima a circuitului. Aceasta din urma este aproape totdeauna complexa si reteaua este proiectata sa asigure conjugata complexa aintr-o anumita largime de banda.

6

Retelele sunt circuite rezonante LC cu doi poli alcatuind FTB sau FTJ pentru a reduce zgomotul si armionicele nedorite. Pentru a ilustra conceptele de analiza a circuitelor folosite se deduc ecuatiile pentru reteaua simpla de adaptare din figura 6-9.

Extinderea acestor tehnici la adaptarea sarcinilor cu impedante complexe(adaptarea intre etaje) este o problema de crestere sau scadere a valorii reactantelor serie. Q-ul pentru celemai multe retele de adaptare este tipic mai mic de 5 astfel se folosesc relatiile exacte pentru conversia paralel-serie.Mai intai combinatia paralela RL-Xc convertita in echivalentul serie, adica RLs

=RL/(Q2+1). Reteaua de adaptare va fi rezonanta cu Q mic, intr-o banda larga. Ca urmare RLs

=R0 pentru a adapta sarcina la valoarea dorita a lui R0 (eq. 6-13) Rezulta R0 = RL/RL(Q2 + 1) si Q = XL este reactanta ce aduce reteaua la rezonanta , astfel XL = XCS. Si cum avem relatia Q =

XCS/RLs = XL/R0, substituit in Q = rezulta XL = unde R0 trbuie sa fie

mai mica decat RL. In cele din urma XC = RL/Q =RL/(XL/R0) asa incat XC = R0RL/XL

(eq. 6-18)Folosirea acestei retele de adaptare se bazeaza pe R0<RL dupa ecuatia 6-17. De asemenea ecuatiile permit adaptarea rezistentei pure RL cu R0 similar cu transformatorul in sfert de unda pentru liniile de transmisie. Daca se mai cere unei alte componente (sau mai multora din sectiunile precedente de adaptare) sa permita stabilirea independenta a Q total al circuitului si a largimii de banda se aplica reteaua de adaptare ffigura 6-10 retea de adaptare in PI cu rezistenta imagine R1.

Cicruite modulatoare MA

MA se produce atunci cand castigul amplificatorului RF de purtatoare variaza in raport cu amplitudinea semnalului de intrare. Cand este necesara o putere mare de emisie se utilizeaza ca modulator un amplificator in clasa C. Pana la 10 kW se pot folosi tranzistoare - dar la puteri de zeci de kW dispozitivele active sunt tuburi electronice - racite cu lichid. Socul de radiofrecventa (RFC) si capacitorul de suntare de RF (RF-BP) izoleaza purtatoarea de sectiunea audio si de linia de alimentare.

7

Reteaua de adaptare a impedantelor L1-C3-L2-C4 mentine o impedanta constanta la colector, iar tensiunea variabila de alimentare efectiv deplaseaza aceasta sarcina de-a lungul Vce. Pentru modulatie sinusoidala: Vce = Vcc+Vpk*sin(2 fmt) = Vcc*(1+ sin(2 fmt) cu m = Vpk/Vcc indice de modulatie Daca trebuie obtinut un indice de modulatie de 100% (m=1), tensiunea audio de varf cuplata in secundarul lui TA trebuie sa egaleze tensiunea sursei :Vpk(audio) = Vcc

Daca amplificatorul RF din Fig 6-19 are o tensiune de alimentare constanta -fara modulare- colectorul va fi la Vcc . Cu intrarea de RF tensiunea colectorului poate sa se modifice pana la potentialul masei - sub Vce sat - pe alternanta negativa si pana 2Vcc pe cea pozitiva, mentinand o medie Vcc.Totusi pentru m = 1, varful tensiunii sursei atinge 2Vcc, iar varful pozitiv al tensiunii RF de iesire poate atinge 4Vcc, dupa cum se vede in forma de unda de colector din fig. 6-19. Asadar alegerea tranzistorului pentru modulatorul MA trebuie sa includa o tensiune inalta de strapungere BV 4Vcc. Deoarece un semnal in amplitudine trebuie sa mentina liniaritatea amplitudinii, orice amplificator care urmeaza dupa modulator trebuie sa sa fie de clasa A sau dupa cum este de obicei cazul la emitatoare, de clasa B simetric. Fig 6-20 arata un emitator cu semiconductori avand un amplificator final simetric acordat. R1 poate fi ajustata sa polarizeze Q3 si Q4 pentru operare in clasa A sau B(de fapt aproape B, numita AB). Uneori R1 este inlocuit cu o dioda care ajuta la compensarea variatiilor de temperatura ale lui VBE pentru Q3 si Q4. Diodele D1 si D2 formeaza o retea care permite ca driverul Q1 sa fie modulat pe varfuri de modulatie pozitiva atunci cand Vc depaseste Vcc.

8

Modulatorul MA cu tub electronic cu vid

statiile de mare putere pentru radiodifuziune TV, AM, FM emit 50 kW sau mai mult. Aceste emitatoare de HF solicita tensiuni anodice inalte pe care momentul actual, le poate furniza numai tehnologia tuburilor electronice. Formele de unda ale tensiunii de taiere sun, in mod ideal aceleasi cu cele al Tx-AM solid state. Cerintele de inalta putere ale Tx-Rd impun specificatii dificile asupra etajului de iesire audio din modulator .Daca la modulatia completa iesirea Tx este Pr atunci Pt = [1+(m2/2)]*Pc, iar pentru m=1 => Pt = Pc*1.5unde Pc este puterea purtatoare nemodulate. Puterea de varf a anvelopei la m=1 este PEP = 2.66 Pc. Puterea totala din benzile laterale este PSB = (m2/2)Pc = Pc/2, pentru m=1. Daca randamentul anodului amplificatorului RF este ηp, atunci sursa de energie trebuie sa furnizeze Pdc = Pc/niup iar sistemul audio trebuie sa adauge Pc/(2ηp) pentru a realiza modulatie 100%. De aici necesarul de putere audio este Paudio(max) = Pdc/2 (eq. 6-34)Impedanta de c.a. pe care o vede secundarul transformatorului audio este aceeasi cu cea care sursa de putere a modulatorului o vede:Raudio = Ebb/Ib (eq.6-35)

Modulatia pe grila

Puterea audio mare necesara in sistemele AM cu modulatie anodica poate fi mult redusa prin utilizarea modulatiei pe grila. Se poate realiza cupland prin transformator semnalul modulator in circuitul de polarizare al grilei, circuitul de baza al unui tranzistor bipolar. Avantajul este ca moduland purtatoarea RF la intrarea amplificatorului de clasa C este necesara o putere modulatoare mult scazuta din cauza castigului amplificatorului. De aceea, modulatia pe grila este numita si modulatie de nivel scazut, opusa modulatoarelor anodice de nivel inalt. Dezavantajul principal consta in varfurile semnalului de grila care au acum o variatie in amplitudine fig 6-21.

9

Modulatia pe grila impune ajustari critice ale circuitelor care nu sunt atat de liniare ca si modulatoarele anodice. In consecinta ele nu prea sunt utilizate cu exceptia radiofuziunii video(adica TV)

10