kondensator 3.1.9.1 Uppladdning
3.4 Förstärkare
HAREC a.3.4
3.4.1 Allmänt
Elektronrör och transistorer, se bild 3.39, är de
aktiva komponenter (eng. active components) som
an-vänds i oräkneliga elektroniska kopplingar för alstring av signaler, för förstärkning (eng. amplification) och
blandning (eng. mixing) av signaler, för multiplicering
av signalfrekvenser etc.
Transistorn presenteras i avsnitt 2.6 och elektron-röret i avsnitt 2.7.
Först förekom endast elektronrör. Dessa har emel-lertid nästan helt ersatts av transistorer. Elektronrör används dock fortfarande i viss mån, då främst i ef-fektförstärkare för sändare. Det finns därför skäl att här behandla såväl elektronrör som transistorer.
3.4.2 Huvudegenskaper hos förstärkare
3.4.2.1 LF- och HF-förstärkare
HAREC a.3.4.1 HAREC a.3.4.2 HAREC a.3.4.3
Bild 3.40 visar principen för förstärkare med både elektronrör och transistor.
Med LF-förstärkare menas förstärkare som arbe-tar med signaler i det lägre frekvensområdet, typiskt upp till cirka 100 kHz. LF-förstärkare är mycket van-liga såväl i mottagare som sändare. Utöver de aktiva komponenterna (transistorer, elektronrör) är konden-satorer och resistorer de viktigaste passiva.
Med HF-förstärkare menas förstärkare som arbe-tar med signaler med högre frekvenser än dem i LF-området. Även HF-förstärkare är mycket vanliga så-väl i mottagare som sändare. De används till exempel i mottagarnas ingångs- och mellanfrekvenssteg, lik-som i sändarnas oscillatorer, drivsteg och slutsteg. Ut-över de komponenter, som även finns i LF-förstärkare, används kombinationer av frekvensberoende kompo-nenter såsom induktorer och kondensatorer.
Förstärkning Med förstärkning (eng. gain) avses här kvoten mellan amplituden i utgående och inkom-mande signal, varvid frekvensgången har inverkan. Frekvensgång Frekvensgången anger hur förstärk-ningen varierar för olika frekvenser inom förstärka-rens bandbredd.
Bandbredd Det frekvensområde där förstärkaren ar-betar med fulla data kallas bandbredd (eng.
bandwid-th). Bandgränserna uttrycks som en nedre och övre
gränsfrekvens, där signalnivån avviker från ett givet värde, vanligen med högst 3 dB.
För LF-förstärkare för amatörradiobruk är kravet på bandbredd litet; inom ett band av 300 Hz till 3 kHz uppnås godtagbar återgivningskvalitet för tal. Band-bredden bestäms främst av kondensatorer i kretsen avsedda för överföring och avkoppling.
HF-förstärkare används för signaler med hög fre-kvens, typiskt 100 kHz och däröver. Det finns så kal-lade bredbandiga förstärkare för ett stort frekvens-område, men även avstämda förstärkare för smala frekvensband.
3.4.3 Grundkopplingar för förstärkarsteg
HAREC a.2.6.4.1 HAREC a.2.6.4.2 HAREC a.2.6.4.3 HAREC a.2.6.4.4
I det föregående har redan visats att en av poler-na i ingången respektive utgången i en förstärkare är gemensam. I övre delen av bild 3.41 är rörförstärka-rens katod den gemensamma polen – därav namnet katodkoppling. På liknande sätt är NPN-transistorns emitter gemensam – därav namnet emitterkoppling. På ett liknande sätt kan någon annan pol vara gemensam. Man får då i stället en baskoppling eller kollektorkoppling.
Beroende av kopplingssätt fås olika egenskaper. I bild 3.41 visas tre olika grundkopplingar för ett elektronrör (triod) respektive en NPN-transistor.
I praktiken känns en grundkoppling igen på vilken elektrod som är avkopplad till nollpotential över en kondensator.
Emitterkoppling används för LF och HF när hög
förstärkning eftersträvas. Eftersom effektförstärkning-en är produkteffektförstärkning-en av spännings- och strömförstärkning-en, fås en effektförstärkning mellan 200 och 50000 gånger. Nackdelen med denna koppling är den ibland låga ingångsimpedansen och den relativt låga gräns-frekvensen.
Baskoppling används för HF-förstärkare på grund
av sin höga gränsfrekvens och goda isolation mellan in- och utgång.
Kollektorkoppling används när hög
ingångsimpe-dans och utgångsimpeingångsimpe-dans önskas. Denna koppling har emellertid ingen spänningsförstärkning, men kan användas för impedansomvandling.
3.4.4 Stabilisering av arbetspunkten
För att en förstärkare ska kunna arbeta på avsett sätt måste arbetspunkten, det vill säga arbetsströmmens vilovärde, ställas rätt.
Det gör man genom att placera en förspänning över den styrande elektroden i elektronröret eller tran-sistorn i fråga.
I en katodkopplad rörförstärkare innebär det att styrgallret ska ges en viss negativ spänning i förhål-lande till katoden. Det kan man göra till exempel med en separat spänningskälla eller vanligare med en avkopplad resistor mellan katod och minuspolen (jord).
I en emitterkopplad transistorförstärkare innebär det att basen ska ges en viss positiv spänning i för-hållande till emittern. Det kan man göra till exempel med en separat spänningskälla eller vanligare med en avkopplad resistor mellan emittern och minuspo-len samt en resistiv spänningsdelare mellan plus- och minuspolen.
3.4.5 Klass A-, B- och C-förstärkare
Bild 3.40: Principen för förstärkare med elektronrör respektive transistor
Tabell 3.1: Grundkopplingarnas typiska egenskaper vid NPN-transistor
Egenskap Emitterkoppling Baskoppling Kollektorkoppling
Zin medel 1 kΩ liten 50 Ω stor 100 kΩ
Zut medel 10 kΩ stor 100 kΩ liten 50 kΩ
Förstärkning
Ström- stor 100 ggr <1 0,9 ggr stor 100 ggr
Spänning- stor 100 ggr stor 100 ggr <1 0,99 ggr
Effekt- mycket stor 10000 ggr stor 100 ggr stor 100 ggr
Fasläge motfas 180◦ medfas 0◦ medfas 0◦
3.4.5.1 Arbetspunkt
Arbetspunkten för förstärkare väljs olika beroende på
önskat arbetssätt. En olämpligt vald arbetspunkt re-sulterar i förvrängning av utsignalens form i förhål-lande till insignalens form, så kallad distorsion. Dis-torsion uppstår även vid överstyrning, det vill säga när insignalens amplitud är för stor för att kunna åter-ges med oförändrad form, även om arbetspunkten är rätt vald.
Med avseende på arbetspunktens läge klassas där-för där-förstärkare på sätt som framgår av följande dia-gram för transistorer eller elektronrör. En emitterjor-dad NPN-transistor får anses mest motsvara elektron-rörskopplingen här nedan. Anodströmmen Ia motsva-ras då närmast av kollektorströmmen IC och styr-gallerspänningen Ugi av spänningen UBE. Den stora skillnaden är att styrgallerspänningen i dessa fall all-tid är negativ medan bas/emitterspänningen är po-sitiv. Styrspänningens relativa läge (arbetspunkten) mellan olika arbetsklasser är emellertid lika.
3.4.5.2 Klass A
Bild 3.42 illustrerar klass A, vilket är ett arbetssätt i linjära LF- och HF-förstärkarsteg, till exempel i mottagare samt AM- och SSB-modulerade sändare. Vilovärdet på strömmen i huvudkretsen, den så kal-lade arbetspunkten, placeras i mitten på den rakaste delen av styrkaraktäristikan (I = 0,5 · Imax). Därmed fås låg distorsion. Verkningsgraden är upp till 50 %. 3.4.5.3 Klass AB
Klass AB är ett godtagbart linjärt arbetssätt för AM-respektive SSB-modulering, men med en lägre vilo-ström. Arbetspunkten ligger mellan den för klass A
och B. Ett linjärt arbetssätt enligt klass A är visserli-gen önskvärt vid SSB, men verkningsgraden är lägre. Klass AB är en kompromiss med bättre verknings-grad utan en alltför stor distorsion.
3.4.5.4 Klass B
Klass B (bild 3.43) är ett olinjärt arbetssätt med en låg viloström i förhållande till Imax, det vill säga att arbetspunkten ligger i nederkant av styrkaraktäristi-kans nedre krökta del. Verkningsgraden är upp till 67 %. Trots det används klass B i linjära LF-och HF-förstärkarsteg till exempel i SSB-sändare.
Om klass B skulle tillämpas i ett slutsteg med endast ett rör eller en transistor skulle större delen av uteffekten förloras i splatter, det vill säga som förvrängda signaler långt vid sidan om den egentliga nyttosignalen. Ett sätt att undvika det är att använda en avstämd utgångskrets med högt Q-värde. Linjär förstärkning kan också erhållas med två mottaktkopp-lade rör eller transistorer i klass B. Utgångskretsen behöver då inte vara avstämd av linjäritetsskäl. 3.4.5.5 Klass C
Bild 3.44 visar klass C som används i HF-förstärkar-steg i FM- och CW-sändare. Arbetssättet är kraftigt olinjärt. Viloströmmen är noll, det vill säga arbets-punkten ligger på den negativa delen av styrkarak-täristikan. Endast toppen av den ena halvvågen av insignalen återges och i starkt förvrängd form. Verk-ningsgraden är upp till 80 %. En resonanskrets med högt Q-värde dämpar övertoner och behövs som ut-gångskrets varvid amplituddistorsion inte framstår som besvärande vid CW och FM. Med hjälp av reso-nanskretsen kan frekvensmultiplicering utföras med
Bild 3.42: Förstärkare i klass A
Bild 3.43: Förstärkare i klass B
Bild 3.44: Förstärkare i klass C
förstärkare i klass C. (På följande tre bilder är IR = anodviloström.)
3.4.6 Frekvensmultiplicering
Frekvensmultiplicering (eng. frequency multiplication)
kan användas för att skapa en högre frekvens än den som avges av oscillatorn. Bild 3.45 visar hur oscil-latorn följs av ett eller flera frekvensmultiplicerande förstärkarsteg som arbetar i klass C.
I utgången av ett frekvensmultiplicerande steg måste finnas en resonanskrets som är avstämd till önskad frekvens, dvs. till en av insignalens övertoner. Denna överton förstärks i efterföljande förstärkarsteg, vilket också kan vara frekvensmultiplicerande.
Ju högre multiplikationsfaktorn är desto högre för-spänning krävs för att resonanskretsen i utgången ska svänga obehindrat. Med hög multipliceringsfaktor i ett enda steg dämpas signalen så mycket att en hög förstärkning behövs i efterföljande steg. I praktiken anordnas därför en kedja av frekvensdubblande och frekvenstripplande steg. Den totala multiplicerings-faktorn är faktorerna för vardera steget multiplicerat med varandra.
Som exempel visar bilden blockschemat för en VHF-sändare med oscillatorkristaller i 8 MHz-området. Som räkneövning kan andra kristallfrekvenser sättas
Bild 3.45: Frekvensmultipliceringskedja
in för beräkning av den slutliga sändningsfrekvensen. I frekvensmultiplicerande sändare kan även slutsteget arbeta i klass C, vilket är vanligt i sändare för tele-grafi eller FM-telefoni. För att förhindra utsändning av alla de övertoner som alstras i förstärkarkedjan förses slutstegets utgång med en resonanskrets som är avstämd till sändningsfrekvensen. Övertonsdämp-ningen kan förbättras ytterligare med ett efterföljan-de lågpassfilter. Övertoner för 144 MHz är 288 MHz, 432 MHz och så vidare.
Frekvensmultiplicering behöver nödvändigtvis in-te göras med ett förstärkarsin-teg i klass C. En diod har nämligen olinjär karaktäristik och därmed alstras övertoner i de strömmar som passerar genom den. En av dessa övertoner kan filtreras fram och förstärkas. Till exempel finns det frekvenstripplingssteg byggda kring en speciell typ av kapacitansdiod – varaktor-diod. Vanliga frekvensområden för så kallad varak-tortripplare är 144/432 MHz och 432/1296 MHz.
Såväl signalen från en kristalloscillator som den från en VFO kan multipliceras till en högre frekvens.
Förr täckte VFO i amatörradiosändarna oftast frekvensområdet 3,5–3,8 MHz. Med en så vald VFO-frekvens kunde alla upplåtna VFO-frekvensband för ama-törradio nås med frekvensmultiplicering. De ursprung-liga amatörradiobanden i KV-området ligger
fortfa-rande harmoniskt relaterade av detta skäl. Således: 3,5 · 2 = 7 MHz
3,5 · 2 · 2 = 14 MHz 3,5 · 2 · 3 = 21 MHz 3,5 · 2 · 2 · 2 = 28 MHz
Vid frekvensmultiplicering flerfaldigas inte bara oscil-latorfrekvensen utan även variationerna i den. Om till exempel VFO-frekvensen i området 3,5 MHz ändras med 50 Hz, ändras utfrekvensen i området 28 MHz med 2·2·2·50 = 400 Hz. Alla frekvenser i signalen mul-tipliceras på detta sätt. Amplitudmodulerad telefoni kan därför inte överföras genom en frekvensmultipli-ceringskedja utan att talet förvrängs.
3.4.7 Sändarslutsteg
HAREC a.2.8.2
3.4.7.1 Slutsteg med en transistor
Transistorslutsteg för HF byggs vanligen emitterkopp-lade på grund av den högre effektförstärkningen. Mo-derna LDMOS-transistorer kan lämna en kilowatt.
Bild 3.46 visar ett sådant förstärkarsteg. Kollek-torbelastningen består av en resonanskrets. För att anpassa transistorns kollektorimpedans till resonanskret-sens impedans, har kollektorn anslutits till ett uttag på kretsens spole.
Bild 3.46: Slutsteg med en transistor
Drosseln Dr och kondensatorn C fungerar som en HF-mässig avkoppling av strömförsörjningen. Utef-fekten tas ut från resonanskretsen över en kopplingslind-ning med samma impedans som belastkopplingslind-ningen. För linjär återgivning krävs drift i klass A eller möjligen klass AB.
3.4.7.2 Slutsteg med två transistorer
Bild 3.47: Mottaktskopplat slutsteg med
transis-torer
Bild 3.47 visar ett mottaktkopplat (eng. push-pull
amplifier ) förstärkarsteg i klass B, vilket har god
verk-ningsgrad samtidigt som det är nöjaktigt linjärt för SSB i amatörradio. I ett slutsteg med endast en tran-sistor skulle denna behöva klara fyra gånger så stor förlusteffekt.
På grund av de låga impedansvärdena i transi-storiserade förstärkarsteg används transformatorer, vilka inte är frekvensselektiva och därför inte dämpar övertoner. Med mottaktkopplingen alstras dock inte jämna övertoner. För övertonsdämpning används fast avstämda bandpassfilter, ofta ett per frekvensband, mellan drivsteg och slutsteg samt mellan slutsteg och antenn.
För noggrann anpassning till antennen behövs en antennanpassare – så kallad matchbox – med ett π-, T- eller L-kopplat LC-filter.
Att ett slutsteg är ”bredbandsavstämt” är således en fråga om definitioner.
3.4.7.3 Högeffektslutsteg med en tetrod
Bild 3.48 visar ett effektslutsteg för HF med ett elektron-rör, en så kallad tetrod, i katodkoppling. Man kan även använda en triod eller en pentod.
Med LC-kretsen i styrgallerkretsen filtreras (selek-teras) den önskade signalfrekvensen ut ur signalerna från föregående steg.
Drosslarna Dr spärrar HF och kondensatorerna
C1, C2och C3kortsluter (avkopplar) HF till jord, allt för att hindra HF att komma in i kraftaggregatet.
HF-förstärkare kan råka i oönskad självsvängning. Orsakerna kan vara många, bland annat dålig av-koppling av matningsspänningar, induktiv och/eller kapacitiv återkoppling i kretsarna med mera.
Återkopplingsvägar både före och efter röret kan bilda oavsiktliga resonanskretsar som genererar själv-svängning, ofta på mycket höga frekvenser till exem-pel i VHF-området. Sådana så kallade parasitsväng-ningar kan stoppas/dämpas med UHF-drosslar (UHF Dr) omedelbart intill röranslutningarna.
En åtgärd mot självsvängning i elektronrör är en motkopplingsväg från anod till styrgaller över en trim-ningsbar så kallad neutraliseringskondensator CN. Slut-stegets utgångskrets kan utformas på olika sätt. Bil-den visar ett numera vanligt sätt, det så kallade π-filtret (utläses pi-), som fungerar som
• en resonanskrets som är avstämd till sändnings-frekvensen
• ett övertonsdämpande lågpassfilter
• anpassning mellan rörets utgångsimpedans och antenntilledningen.