50ohm-contents-dl/contents/sections/effektforstarkare.md

I kapitlet om grundläggande kopplingar har vi redan lärt känna olika transistorförstärkare. I sändaren tittar vi nu särskilt på effektförstärkare. De förstärker den HF-signal som skapats i de föregående stegen till sändarens önskade uteffekt.

Hos HF-effektförstärkare kan man i princip skilja mellan två utföranden:

1. Bredbandiga HF-förstärkare har en så jämn förstärkning som möjligt över ett relativt stort frekvensområde, till exempel över stora delar av kortvågsområdet \qtyrange{1}{30}{\mega\hertz}, jämför figur [ref:a_breitbandverstärker].
2. Selektiva HF-förstärkare är däremot avstämda till ett jämförelsevis smalt frekvensområde, till exempel ett enskilt amatörradioband, jämför figur [ref:a_selektiver_verstaerker].

Bredbandiga HF-förstärkare känner man ofta igen på de bredbandiga kopplingstransformatorerna mellan förstärkarstegen. Tillsammans med kondensatorer bildar dessa inga svängningskretsar som är avstämda till en bestämd frekvens. Även den redan kända principen med motkopplad (push-pull) förstärkare återfinns i många HF-effektförstärkare.

[picture:491:a_breitbandverstärker:Bredbandig HF-effektförstärkare med push-pull-koppling]

Selektiva HF-förstärkare känner man däremot typiskt igen på sin frekvensselektiva utformning, som kännetecknas av serie- eller parallellsvängningskretsar i HF-signalvägen.

[picture:778:a_selektiver_verstaerker:Selektiv HF-effektförstärkare med frekvensselektiv utformning]

---

Förstärkare av de ovan nämnda typerna kan också vara flerstegade genom att enskilda steg kopplas efter varandra.

Mellan förstärkarstegen i en effektförstärkare, och vid deras in- och utgångar, behöver man göra en impedansanpassning. Den behövs för att HF-utimpedansen hos ett steg ska anpassas så bra som möjligt till HF-inimpedansen hos nästa steg, för maximal förstärkning, minimal distorsion och optimal verkningsgrad (undvika reflektioner och olinjäriteter).

Impedansanpassningen kan göras antingen bredbandigt med en transformator med lämpligt omsättningsförhållande, eller frekvensselektivt med en anpassad (avtappad) svängningskrets.

Vid frekvensselektiv anpassning finns det två grundläggande sätt:

• med en induktiv spänningsdelare (spole med uttag och parallellkondensator)
• med en kapacitiv spänningsdelare (två kondensatorer i serie med en spole parallellt)

Dessa spolar och kondensatorer kan vara ordnade i olika konfigurationer (parallell- eller seriekrets) för att uppnå önskad impedanstransformation och eventuellt samtidigt dämpa övertoner (pi-filter).

---

Figur [ref:a_fet_verstaerker] visar en kortvågsförstärkare med LDMOS-fälteffekttransistorer. LDMOS står för Laterally Diffused Metal-Oxide-Semiconductor och betecknar en särskild fälteffekttransistor för HF-effektförstärkare. Själva förstärkarkopplingen (övre delen) är mycket enkelt uppbyggd. Det är återigen en push-pull-förstärkare med två FET:ar som arbetar i push-pull-konfiguration. De båda transistorerna styrs via en gemensam ingångstransformator. Förstärkarens utgång tas ut via ytterligare en transformator. Den nedre delen av kopplingen är också mindre komplicerad än man kan tro: i stort sett skapas här bara BIAS-spänningen för transistorerna via en spänningsdelare.

Man ska inte låta sig luras av den välkända egenskapen hos en fälteffekttransistor: vid likspänning är gaten praktiskt taget strömlös och har därför en mycket hög inimpedans. Vid höga frekvenser spelar dock transistorns parasitiska kapacitanser en viktig roll, särskilt kapacitanserna mellan gate och source samt mellan gate och drain. Deras kapacitiva reaktans blir mindre med stigande frekvens, så att en HF-ström kan flyta vid gaten. Hos HF-effekttransistorer kan inimpedansen därför vara betydligt lägre än man skulle vänta sig utifrån en likströmsbetraktelse av en FET. Ingångstransformatorn T_1 används därför för att anpassa \qty{50}{\ohm} till transistorernas lågohmiga inimpedans.

[picture:786:a_fet_verstaerker:Kortvågsförstärkare med fälteffekttransistorer]

---

Som antytts ovan behöver de aktiva elementen i en effektförstärkare, förutom den nödvändiga driftspänningen, också en likspänningsinställning av arbetspunkten (BIAS). Denna arbetspunkt skapas vanligen med spänningsdelare som av en stabiliserad hjälpspänning, med hjälp av trimpotentiometrar för optimal inställning, ger önskad BIAS-spänning till elementen.

När du betraktar BIAS-spänningen och dess inverkan på kopplingens element ska kopplingen bara betraktas likspänningsmässigt. Då ignoreras kondensatorer, eftersom de bara kan överföra växelspänning. Lindningar på transformatorer och spolar ses vid likspänningsbetraktelsen som kortslutningar. I princip räcker det vid sådana uppgifter att tillämpa grundkunskaperna om Ohms lag och spänningsdelare!

Beräkningen av BIAS-spänningen för en given koppling sker med Ohms lag, med hänsyn till parallell- och seriekoppling av motstånd. Viktigt är att transistorernas gateanslutningar utgör kapacitanser och därför kan försummas vid en likspänningsbetraktelse.

Motståndet $R_5=\qty{51}{\ohm}$ påverkar praktiskt taget inte likspänningen vid gaten, eftersom nästan ingen likström flyter in i LDMOS-transistorns gate. För HF-signalen är $R_5$ däremot viktigt: tillsammans med gatekapacitansen dämpar det möjliga högfrekventa svängningar och förbättrar på så sätt förstärkarens stabilitet.

Motståndet R_4=\qty{6,8}{\kilo\ohm} ser till att gaten har en definierad potential mot jord även om arbetspunktsinställningen skulle brytas. Det laddar dessutom ur gatekapacitansen och förhindrar därmed att transistorn oavsiktligt blir ledande genom en flytande gate, t.ex. om potentiometern R_3 är defekt. Eftersom R_4 ligger parallellt med spänningsdelarens undre gren måste det beaktas vid den exakta beräkningen av gatespänningen.

---

Kopplingen i figur [ref:a_fet_verstaerker_vhf] visar en VHF-effektförstärkare med fälteffekttransistorer. Även här arbetar de två transistorerna som push-pull-slutsteg, vilket är den enkla delen av kopplingen. De korta koaxialledningarna ingår i anpassningsnätverket och transformerar LDMOS-transistorernas låga impedans till en impedans som passar den övriga kopplingen. Resten av kopplingen är återigen skapandet av BIAS-spänningen för transistorerna, inklusive temperaturkompensering. Potentiometrarna R_1 och R_2 bildar var sin spänningsdelare som ställer in BIAS-spänningen för respektive transistor.

[picture:783:a_fet_verstaerker_vhf:VHF-förstärkare med fälteffekttransistorer]

---

Ett pi-filter (jämför figur [ref:a_pi_filter]) kan anpassa impedanserna vid sin in- och utgång genom förhållandet mellan de två kapacitanserna. Pi-filtrets spole bestämmer tillsammans med de två kapacitanserna filtrets avstämningsfrekvens. Pi-filtret dämpar samtidigt, genom sin lågpasskaraktär, oönskade övertoner i sändsignalen.

[picture:1100:a_pi_filter:Pi-filter]

En liknande funktion har en LC-koppling efter en HF-effektförstärkare. Även den används för impedansanpassning och samtidig dämpning av övertoner.

Hos effektförstärkare är det viktigt att HF-mässigt avkoppla de enskilda stegen så bra som möjligt från driftspänningen, för att undvika återverkningar på andra steg (svängningsbenägenhet, moduleringseffekter osv.). För detta avkopplas driftspänningstillförseln till de enskilda stegen från varandra med seriekopplade induktanser och avkopplingskondensatorer mot jord. Denna anordning utgör ett lågpassfilter, eftersom i idealfallet bara den önskade DC-driftspänningen släpps igenom medan HF-delar blockeras.

HF-egenskaperna hos verkliga kondensatorer är frekvensberoende. Stora kapacitanser som elektrolytkondensatorer kan bara användas vid låga frekvenser och är i HF-området bara delvis verksamma. För att blockera även högre frekvenser med kondensatorer använder man ofta en kombination av olika kondensatortyper och kapacitansvärden, som tillsammans kan blockera ett större frekvensområde.