УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ПОЛОСОВОГО УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ ОТ ПЕРЕГРУЗОК
DEVICE TO PROTECT BANDPASS POWER AMPLIFIER AGAINST OVERLOADS

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к технике радиосвязи, и может быть использовано в полосовых усилителях мощности передатчиков радиорелейной и сотовой связи, теле- и радиовещания.
Известно устройство защиты полосовых усилителей мощности радиотелевизионных передающих станций, содержащее два направленных ответвителя (НО), включенных каскадно между выходом усилителя мощности и его нагрузкой, первый и второй детекторы, подключенные своими входами соответственно к плечу первого НО, с которого снимается сигнал, пропорциональный падающей мощности, и к плечу второго НО, с которого снимается сигнал, пропорциональный отраженной от нагрузки мощности, две согласованные нагрузки НО, подключаемые к оставшимся свободным плечам первого и второго НО, блок управления, входы которого подключены к выходам первого и второго детекторов, а его выход - к цепи питания первых маломощных каскадов усилителя мощности [1].
Недостатком такого устройства является большая постоянная времени цепи обратной связи, превышающая 20 мкс, которая обусловлена ее относительно большой электрической длиной, поскольку ее входы расположены на выходе мощных каскадов усилителя мощности, а ее выход - на входе его первых маломощных каскадов. Маломощные входные и мощные выходные каскады усилителя мощности выполнены в виде отдельных блоков и пространственно разнесены между собой. Такое устройство не в состоянии защитить усилитель от воздействия мощных сигналов, поступающих на его вход, а также от короткого замыкания нагрузки усилителя или ее обрыва. В соответствии с паспортными данными на мощные высокочастотные транзисторы [2] двухкратное-трехкратное превышение максимально допустимого значения коллекторного тока в них допускается в течение не более 10-20 мкс, то есть в течение времени существенно меньшего, чем время срабатывания такой системы защиты полосового усилителя мощности от перегрузки.
Известно также устройство защиты полосового усилителя мощности от перегрузки, содержащее цепь обратной связи, в состав которой входят НО, выполненный в виде отрезка двух связанных линий, вход первой из которых нагружен на согласованную нагрузку НО, детектор, вход которого подключен к выходу первой линии НО, блок управления, вход которого соединен с выходом детектора, а его выход подключен к входным каскадам полосового усилителя мощности, вход второй линии НО подключен к выходу полосового усилителя мощности, а ее выход - к нагрузке полосового усилителя мощности, при этом питание входных каскадов полосового усилителя мощности осуществляется с выхода блока управления [3].
Недостатком такого устройства является то, что оно не обеспечивает защиту полосового усилителя мощности от воздействия мощных входных сигналов.
Наиболее близким к заявляемому объекту по максимальному числу существенных признаков является устройство защиты полосового усилителя мощности от перегрузок, содержащее цепь обратной связи, в состав которой входят НО, выполненный в виде отрезка двух связанных линий, вход первой из которых нагружен на согласованную нагрузку НО, детектор, вход которого подключен к выходу первой линии НО, и блок управления, вход которого соединен с выходом детектора, вход второй линии НО подключен к выходу полосового усилителя мощности, а ее выход подключается к нагрузке полосового усилителя мощности, транзистор, база которого подключена к выходу блока управления, коллектор транзистора соединен с общим для полосового усилителя мощности и цепи обратной связи проводником, а эмиттер транзистора образует выход цепи обратной связи, подключаемый к входу полосового усилителя мощности [4].
Недостатком устройства-прототипа является искажение усиливаемого сигнала в процессе работы устройства защиты, что связано с появлением переотражений этого сигнала между входом полосового усилителя мощности и выходом подсоединяемого источника усиливаемого сигнала.
Задача, на достижение которой направлено предлагаемое решение, - устранение искажений усиливаемого сигнала, обусловленных его переотражениями между входом полосового усилителя мощности и выходом подключаемого источника усиливаемого сигнала.
Это достигается тем, что в устройство защиты полосового усилителя мощности от перегрузок, содержащее цепь обратной связи, в состав которой входят НО, выполненный в виде отрезка двух связанных линий, вход первой из которых нагружен на согласованную нагрузку, общий для полосового усилителя мощности и цепи обратной связи проводник, детектор, вход которого подключен к выходу первой линии НО, блок управления, вход которого соединен с выходом детектора, биполярный транзистор, база которого подключена к выходу блока управления, а коллектор соединен с общим проводником, вход второй линии НО подключен к выходу полосового усилителя мощности, а ее выход подключается к нагрузке полосового усилителя мощности, в цепь обратной связи введены второй биполярный транзистор, база которого подключена к выходу блока управления, а коллектор соединен с общим проводником, второй и третий НО, каждый из которых выполнен в виде отрезка двух связанных линий, вход первой линии второго НО соединяется с выходом источника усиливаемого сигнала, выход первой линии второго НО подключен к эмиттеру первого биполярного транзистора, вход второй линии второго НО подключен к эмиттеру второго биполярного транзистора, выход второй линии второго НО нагружен на вторую согласованную нагрузку, вход первой линии третьего НО подключен к эмиттеру второго биполярного транзистора, выход первой линии третьего НО подключен к входу полосового усилителя мощности, при этом вход второй линии третьего НО нагружен на третью согласованную нагрузку, а выход второй линии третьего НО подключен к эмиттеру первого биполярного транзистора.
На чертеже представлена функциональная схема предложенного устройства защиты полосового усилителя мощности от перегрузок.
Устройство защиты полосового усилителя мощности от перегрузок (фиг.1) содержит первый НО 1, выполненный в виде отрезка двух связанных линий, вход первой из которых нагружен на первую согласованную нагрузку 2, общий для полосового усилителя мощности и цепи обратной связи проводник («земля»), детектор 3, вход которого подключен к выходу первой линии первого НО 1, блок управления 4, вход которого соединен с выходом детектора 3, биполярный транзистор 5, база которого подключена к выходу блока управления 4, а коллектор соединен с общим проводником, вход второй линии первого НО 1 подключен к выходу полосового усилителя мощности 6, а ее выход подключается к нагрузке полосового усилителя мощности, второй биполярный транзистор 7, база которого подключена к выходу блока управления 4, а коллектор соединен с общим проводником, второй и третий НО 8 и 9, каждый из которых выполнен в виде отрезка двух связанных линий, вход первой линии второго НО 8 соединяется с выходом источника усиливаемого сигнала, выход первой линии второго НО 8 подключен к эмиттеру первого биполярного транзистора 5, вход второй линии второго НО 8 подключен к эмиттеру второго биполярного транзистора 7, выход второй линии второго НО 8 нагружен на вторую согласованную нагрузку 10, вход первой линии третьего НО 9 подключен к эмиттеру второго биполярного транзистора 7, выход первой линии третьего НО 9 подключен к входу полосового усилителя мощности 6, при этом вход второй линии третьего НО 9 нагружен на третью согласованную нагрузку 11, а выход второй линии третьего НО 9 подключен к эмиттеру первого биполярного транзистора 5.
Устройство защиты полосового усилителя мощности от перегрузок работает следующим образом. На базы транзисторов 5 и 7 с блока управления 4, имеющего высокое выходное сопротивление на рабочих частотах полосового усилителя мощности 6, подается постоянное запирающее оба перехода транзисторов 5 и 7 напряжение. Переменное высокочастотное напряжение усиливаемого сигнала, поступающее от источника усиливаемого сигнала на вход первой линии второго НО 8, делится на две части, которые проходят на вход его второй линии и выход первой линии. Далее эти сигналы поступают на вход первой линии и выход второй линии третьего НО 9. Складываясь в фазе на выходе первой линии третьего НО 9, высокочастотное напряжение усиливаемого сигнала поступает на вход полосового усилителя мощности 6. Переменное высокочастотное напряжение усиливаемого сигнала, поступающее с входа второй линии второго направленного ответвителя 8 на вход первой линии третьего НО 9 и с выхода первой линии второго НО 8 на выход второй линии третьего НО 9, делится приблизительно поровну между емкостями закрытых переходов эмиттер-база и база-коллектор транзисторов 5 и 7, поскольку значения емкостей закрытых переходов эмиттер-база и база-коллектор современных биполярных транзисторов отличаются незначительно [2]. Величина постоянного запирающего напряжения на базах транзисторов 5 и 7 устанавливается равной половине амплитуды номинального значения переменного высокочастотного напряжения, имеющегося на эмиттерах транзисторов 5 и 7.
Э
Э
При превышении амплитуды переменного высокочастотного напряжения усиливаемого сигнала, поступающего от источника усиливаемого сигнала на вход первой линии второго НО 8, номинального значения, в положительный полупериод воздействия переменного сигнала напряжение на эмиттерах транзисторов 5 и 7 в какой-то момент времени становится больше напряжения на их базах. Переходы база-эмиттер транзисторов 5 и 7 открываются, и через их коллекторные цепи начинают протекать токи, равные αI, где α - коэффициент передачи эмиттерного тока, I - ток эмиттера [2]. Для мгновенного значения переменного высокочастотного напряжения усиливаемого сигнала, превышающего номинальное значение, переходы эмиттер-коллектор транзисторов 5 и 7 представляют собой двухполюсники, сопротивление которых составляет единицы Ом.
I
к
I
к
I
В отрицательный полупериод воздействия переменного сигнала, превышающего по амплитуде номинальное значение, открываются переходы база-коллектор транзисторов 5 и 7, и через них начинают протекать токи, равные αI, где α - коэффициент передачи тока коллектора при инверсном включении транзисторов 5 и 7, I - ток коллектора. Согласно [5], α≈α. При отрицательной полуволне переменного сигнала, амплитуда которого превышает амплитуду номинального напряжения, переходы эмиттер- коллектор транзисторов 5 и 7 также представляют собой двухполюсники, сопротивление которых составляет единицы Ом. В этом случае мощное переменное высокочастотное напряжения оказывается двухсторонне ограниченным.
CTU
CTU
С увеличением рассогласования нагрузки полосового усилителя мощности 6 с выходным сопротивлением второй линии первого НО 1 (крайние степени рассогласования - короткое замыкание нагрузки и ее обрыв) напряжение, снимаемое с выхода первой линии первого НО 1, увеличивается (в предлагаемом устройстве используется противонаправленный НО 1, в котором на вход детектора 3 подается напряжение, пропорциональное напряжению, отраженному от нагрузки полосового усилителя мощности 6). При номинальной величине выходной мощности и при коэффициенте стоячей волны по напряжению K со стороны нагрузки больше максимально допустимого значения, напряжение управления, подаваемое на базы транзисторов 5 и 7 с блока управления 4, начинает уменьшаться, уменьшая амплитуду переменного высокочастотного напряжения, поступающего на вход полосового усилителя мощности 6 (уменьшается порог ограничения переменного высокочастотного напряжения усиливаемого сигнала). Поэтому мощность сигнала на выходе полосового усилителя мощности 6 будет падать пропорционально росту K нагрузки.
В моменты, когда переходы эмиттер-коллектор транзисторов 5 и 7 оказываются открытыми, вход второй линии и выход первой линии второго НО 8 оказываются рассогласованными. Отраженные от мест рассогласования сигналы складываются в фазе в согласованной нагрузке 10 второго НО 8. В этом случае в процессе работы устройства защиты не возникает переотражений между входом полосового усилителя мощности 6 и выходом источника усиливаемого сигнала. Отсутствуют и искажения сигнала на выходе полосового усилителя мощности 6, обусловленные указанными переотражениями.
Предлагаемое устройство защиты полосового усилителя мощности от перегрузок по сравнению с устройством-прототипом устраняет искажения усиливаемого сигнала, которые обусловлены его переотражениями между входом полосового усилителя мощности и выходом источника усиливаемого сигнала.
Технический эффект от использования заявляемого объекта по отношению к устройству-прототипу состоит в устранении искажений усиливаемого сигнала, обусловленных его переотражениями между входом полосового усилителя мощности и выходом подсоединяемого источника усиливаемого сигнала.
Источники информации
1. Иванов В.К. Оборудование радиотелевизионных передающих станций. - М.: Радио и связь, 1989. - 336 с. [стр.87, рис.2.36].
2. Петухов В.М. Полевые и высокочастотные биполярные транзисторы средней и большой мощности и их зарубежные аналоги: Справочник. В 4 томах. - М.: КУбК - а, 1997.
3. Титов А.А. Двухканальный усилитель мощности с диплексерным выходом // Приборы и техника эксперимента. - 2001. - №1. - С.68-72.
4. Титов А.А., Ильюшенко В.Н. Устройство для защиты усилителя мощности от перегрузки // Патент РФ №2217861. - Опубл. 27.11.2003. Бюл. №33 - прототип.
5. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. - М.: Энергия, 1977. - 672 с.