Усилители класса С используются преимущественно в передающих устройствах для увеличения амплитуды сигнала несущей частоты до расчетного уровня. Усилители класса С строятся по одно- или двухтактной схеме (рис. 3.6 и 3.7). Для создания условий работы в режиме класса С необходимо подать на эмиттерный переход биполярного транзистора обратное смещающее напряжение такой величины, при которой рабочая точка транзистора находится в области отсечки. При этом транзистор отпирается лишь в течение небольшой части каждого периода колебаний (меньшей полупериода), ,в которой мгновенное значение сигнала близко к амплитудному значению (см. разд. 11.4). В этом случае к. п. д. усилителя может достигать 90%.
Рис. 3.6. Однотактный усилитель класса С.
Как показано на рис. 3.6, входной ВЧ-сигнал поступает на первичную обмотку L1 входного трансформатора. Такой сигнал называют управляющим сигналом или сигналом возбуждения, Вторичная обмотка L2 вместе с шунтирующим конденсатором С1 образует резонансный контур, настроенный на частоту входного сигнала. Конденсатор С2 пропускает входной сигнал на базу транзистора и одновременно предотвращает закорачивание цепи базы по постоянному току.
Резонансный контур в цепи коллектора, называемый также колебательным контуром, составлен из катушки индуктивности L4 и шунтирующих ее конденсаторов переменной емкости Сз и С4. К катушке L4 можно присоединить обычный конденсатор переменной емкости, но сдвоенные конденсаторы переменной емкости с заземленным ротором обеспечивают большую безопасность при пробоях, вызванных высоким напряжением. Так как роторы конденсаторов находятся на одной оси, а статоры разделены, или «разрезаны», на две секции, то такие конденсаторы часто называют конденсаторами с разрезными статорами.
Для того чтобы оба вывода L4 находились под высокочастотным потенциалом относительно земли, что необходимо для нейтрализации паразитной обратной связи, источник питания подключают к средней точке катушки L4. Так как межэлектродные емкости транзистора создают положительную обратную связь между выходом и входом, усилитель может возбудиться и начать генерировать собственные колебания вместо того, чтобы усиливать сигналы предыдущего каскада. Для увеличения устойчивости усилителя используют нейтрализующий конденсатор С5. Этот элемент включен между нижним выводом резонансного контура и выводом базы транзистора. Величина емкости нейтрализации подбирается так, чтобы амплитуда противофазного напряжения была равна напряжению положительной связи, которое вызывает генерацию. Высокочастотный дроссель LS не пропускает составляющих радиосигнала, выделяющихся в колебательном контуре, к источнику питания. Через трансформатор, составленный элементами L4 и L6, и выходной резонансный контур L6C6 усиленный выходной сигнал передается на вход усилителя класса С большей мощности или (к антенной системе.
Последующий каскад усиления, на который поступает выходной радиосигнал, является нагрузочным элементом усилителя, называемым нагрузкой. Если усилитель класса С не нагружен и его контур настроен в резонанс, то при этом коллекторный ток транзистора минимален. Но так как при резонансе ненагруженный параллельный .колебательный «онтур обладает очень большим входным сопротивлением, то на нем выделяется максимальное напряжение сигнала. Поэтому высокое напряжение, получаемое на контуре, (при отключенной нагрузке может вызвать пробой между пластинами ротора и статора конденсатора настройки. Для предотвращения пробоя, могущего возникнуть в процессе настройки и нейтрализации паразитной обратной связи ненагруженного усилителя, иногда уменьшают напряжение питания (во время настройки). При расстройке контура коллекторный ток транзистора резко возрастает, но напряжение на контуре падает, так (как параллельный резонансный контур (на частотах выше и ниже резонансной имеет малый импеданс. Как уже говорилось, в усилителе класса С входное сопротивление контура при отключенной нагрузке велико; велика также добротность Q контура (Q>50). Однако в условиях подключенной нагрузки, .когда усилитель работает с хорошим к.т.д., добротность контура падает до 10 — 15. При более точном подборе величины нагрузочного сопротивления, определяемого характеристиками транзистора, требуемое значение Q нагруженного усилителя выбирают с учетом величины p = |/L/C — характеристического сопротивления колебательного контура в цепи коллектора, где L — результирующая индуктивность и С — результирующая емкость контура. Уменьшение Q, вызываемое подключением нагрузки, увеличивает устойчивость усилителя. Однако очень малое значение Q приводит к расширению полосы пропускания устройства и, следовательно, к более слабому подавлению нежелательных гармонических составляющих сигнала. При значениях Q ниже нормы ухудшается селективность усилителя и уменьшается полезная мощность в нужном диапазоне частот. При слишком высоком Q и при наличии нагрузки контурные токи становятся настолько большими, что излучаемая самим колебательным контуром мощность намного больше, чем в нормальном режиме. Результатом этого являются излишние потери ВЧ-мощности.
Величины L и С, требуемые для получения резонансной частоты fр контура, можно найти из уравнения
(3.1)
Добротность контура выражается следующими соотношениями:
(3.2)
где XL = 2пfpL и Xc = 2пfpC. Сопротивление R в соотношениях (3.2) — пересчитанное эквивалентное сопротивление потерь энергии, шунтирующее колебательный контур. Это сопротивление R=RH практически учитывает только мощность, потребляемую нагрузкой (очень малыми потерями мощности в активном сопротивлении катушки индуктивности обычно (пренебрегают). Сопротивление нагрузки в соответствии с законом Ома определяется как отношение постоянного напряжения коллекторного питания к амплитудному значению тока коллектора при подключенной нагрузке:
(3.3)
предполагается, что амплитуда напряжения на контуре UK~EK. Зная требуемую величину Q нагруженного контура, мы можем найти результирующую (полную) емкость колебательного контура на данной частоте. Эта емкость обратно пропорциональна пересчитанному сопротивлению нагрузки, т. е. отношению EK/IK. Результирующая величина емкости колебательного контура определяется из формул (3.1) — (3.3):
(3.4)
где С — результирующая емкость контура, ,пФ;
Q — добротность контура при наличии нагрузки (Q=l0 — 115);
IK — ток коллектора, мА;
f — частота, МГц (обычно средняя частота рабочего диапазона частот);
Eк — постоянное напряжение коллектора, В. Величина емкости, найденная из этого уравнения, должна соответствовать емкости колебательного контура в среднем положении ротора переменного конденсатора. Зная величину емкости С для данного Q, можно найти величину общей индуктивности колебательного контура из формулы (3.1):
(3.5)
где L — результирующая индуктивность, мкГ; С — емкость, пФ; f — частота, кГц.