книги из ГПНТБ / Шапиро Д.Н. Основы теории и расчета усилителей высокой частоты на транзисторах

Д. Н. ШАПИРО

ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЁТА УСИЛИТЕЛЕЙ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ НА ТРАНЗИСТОРАХ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ЛИТЕРАТУРЫ ПО ВОПРОСАМ СВЯЗИ И РАДИО

МОСКВА 1962

ПРЕДИСЛОВИЕ

Специфические особенности транзисторов (полупроводнико­ вых триодов) — малое входное сопротивление, сильная внутрен­ няя обратная связь и комплексный характер малосигнальных параметров даже на сравнительно низких частотах — застав­ ляют пересматривать многие привычные представления и изме­ нять методы анализа и расчёта радиотехнических схем, разрабо­ танные и хорошо освоенные в период развития ламповой радио­ техники. Для многих схем разработка новых методов расчёта отстаёт от прогресса в области производства транзисторов. Это задерживает внедрение транзисторов в аппаратуру, где приме­ нение их дало бы существенные преимущества.

Именно так, в частности, обстоит дело с внедрением транзи­ сторов в усилители высокой частоты. Несколько лет назад такие усилители строились только с нейтрализацией внутренней об­ ратной связи через транзистор при помощи внешних линейных элементов. Однако для массового и даже крупносерийного про­ изводства точная нейтрализация, связанная, как правило, с не­ обходимостью специальной индивидуальной подстройки каждой ступени (учитывая значительный разброс параметров транзи­ сторов), неприемлема. Кроме того, в условиях эксплуатации точность её нарушается вследствие изменения параметров тран­ зисторов при изменении температуры окружающей среды, режи­ ма питания, частоты настройки усилителя и т. д. В настоящее время промышленность освоила выпуск транзисторов с гранич­ ными частотами до нескольких сотен мегагерц, что делает воз-

. можным изготовление усилителей высокой частоты с постоянной и переменной частотой настройки в диапазоне до 100 Мгц и вы­ ше без нейтрализации. Такие усилители широко исследуются и строятся как у нас, так и за рубежом, о чём можно судить по большому количеству работ, опубликованных в периодической печати. Однако законченная теория и полноценная методика их инженерного расчёта, которые существенно облегчили и ускори­ ли бы широкое внедрение их в практику, пока не созданы.

Цель настоящей работы — способствовать заполнению ука­ занного пробела. Она представляет собой изложение ряда ис­ следований, выполненных автором по данному вопросу в период

3

Г Л А В А П Е Р В А Я

КОЭФФИЦИЕНТ УСТОЙЧИВОСТИ УСИЛИТЕЛЯ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ

1.1. Современное состояние теории устойчивости усилителей высокой частоты и задачи, стоящие перед исследователями в этой области

При проектировании усилителей высокой частоты (принимае­ мого сигнала и промежуточной частоты), как и при решении боль­ шинства технических задач, приходится сталкиваться с рядом трудностей. К ним относится, в частности, противоречие между стремлением получить возможно большее усиление от каждой из ступеней и стремлением обеспечить устойчивость усилителя. Под устойчивостью понимается стабильность его основных характери­ стик при изменениях рабочего режима, параметров усилитель­ ных приборов и элементов схемы, практически возможных при производстве и эксплуатации. Суть этого противоречия заклю­ чается в следующем.

Любой усилительный прибор в его рабочем диапазоне частот способен обеспечить коэффициент усиления по мощности, пре­ вышающий единицу; поэтому при его помощи, прибегнув к по­ ложительной обратной связи, принципиально можно построить автогенератор, а следовательно, и усилитель, обладающий сколь угодно большим коэффициентом усиления (недовозбуждённый автогенератор). В очень многих случаях для этого нет надобно­ сти прибегать к внешним обратным связям: вполне достаточно внутренней обратной связи, т. е. связи выходной цепи со вход­ ной через тот же усилительный прибор; необходимо лишь соот­ ветствующим образом нагрузить его со стороны выходных и входных зажимов. (Если таким путём можно довести схему до самовозбуждения, то говорят, что на данной частоте усилитель­ ный прибор потенциально неустойчив.)

Правда, с ростом усиления сужается полоса пропускания; но противоречие между усилением и шириной полосы пропуска­ ния — другая проблема. Интересующее же нас противоречие между усилением и устойчивостью выступает в наиболее чистом виде, если допустить, что нас устраивает сколь угодно узкая по­ лоса пропускания, лишь бы она была достаточно стабильна.

Чем ближе будем подходить к границе самовозбуждения, стремясь получить большее усиление, тем сильнее влияют на

5

коэффициент усиления и полосу пропускания случайные изме­ нения параметров элементов схемы. Поэтому в усилителях, как правило, не применяются внешние положительные обратные свя­ зи. При потенциальной неустойчивости усилительного прибора наибольший коэффициент усиления, который можно получить от одной ступени, не прибегая к нейтрализации внутренней обрат­ ной связи внешними элементами, ограничивается требованием удалённости от границы самовозбуждения.

Указанная связь между устойчивостью и удалённостью от границы.самовозбуждения приводит к тому, что часто эти два понятия отождествляются, а это направляет исследователей на ложный путь и тормозит развитие теории. Чтобы избежать оши­ бок, следует помнить, что близость усилителя к самовозбужде­ нию (речь идёт о самовозбуждении на рабочих, а не на паразит­ ных частотах) опасна не сама по себе, а именно тем, что она приводит к усилению влияния изменений параметров элементов схемы на характеристики усилителя и. что начало самовозбуж­ дения следует рассматривать как крайний случай проявления такого усиленного влияния. С этой точки зрения в общем слу­ чае усилительного прибора с комплексными малосигнальными параметрами могут оказаться опасными и такие внутренние об­ ратные связи, при которых усилитель весьма далёк от самовоз­ буждения.

Ивсё же удалённость от самовозбуждения является первым

иобязательным условием устойчивости; с исследования этой удалённости должна начинаться теория устойчивости.

В ламповых усилителях требование удалённости от самовоз­ буждения нередко отходит в тень из-за того, что современные высокочастотные пентоды имеют малые проходные ёмкости, и обратная связь через них начинает сказываться лишь при та­ ком большом усилении, которое исключается по другим сообра­ жениям: в усилителях частоты принимаемого сигнала большое усиление нежелательно из-за значительных перекрёстных иска­ жений в последующих ступенях; в узкополосных усилителях про­ межуточной частоты — из-за относительно большой ёмкости кон­ туров, необходимой для неизменности частоты настройки при сме­ не ламп (это тоже один из вопросов устойчивости, не отпадаю­ щий и при отсутствии обратных связей); в широкополосных уси­ лителях промежуточной частоты — из-за малой добротности контуров. В этих случаях можно ограничиться поверочным рас­ чётом на удалённость от самовозбуждения после того, как все параметры усилителя уже выбраны, исходя из других сообра­ жений. Сама теория устойчивости ламповых усилителей, в смыс­ ле удалённости от самовозбуждения, рассматривается поэтому как самостоятельный раздел теории этих усилителей, не связан­ ный органически с другими её разделами.

6

Не так обстоит дело с усилителями на транзисторах. Обрат­ ная связь через транзистор (триод) начинает сильно влиять на работу усилителя уже при относительно небольшом усилении. Поэтому требования устойчивости, связанные с этим влиянием, выступают на первый план и должны лежать в основе всего расчёта. Следовательно, теория устойчивости не может оста­ ваться обособленной, а должна служить фундаментом для всех остальных разделов теории полупроводниковых усилителей. Поэтому теория устойчивости должна сделать выбор на­ глядной количественной характеристики степени устойчивости, обосновать нормы и создать простую методику инженерного рас­ чёта усилителей, исходя из заданной степени устойчивости.

Для того чтобы выяснить, в какой мере теория устойчивости усилителей высокой частоты вообще, и на транзисторах в ча­ стности, в современном её состоянии удовлетворяет изложен­ ным требованиям, рассмотрим наиболее интересные из работ, опубликованных в печати по этому вопросу.

1

Рис. 1.1. Входная ступень резонансного усилителя

Теория устойчивости ламповых усилителей высокой частоты, хорошо знакомая широким кругам отечественных радиоспециа­ листов, была разработана В. И. Сифоровым в 1930—1931 гг. [Л1]. Согласно ей об устойчивости многоступенного резонансно­ го усилителя судят по активной составляющей его входной про­ водимости Re YeX , измеренной между точками 1— 1 (рис. 1.1) с учётом входного контура. В качестве критерия устойчивости, по­ нимаемой, в первую очередь, как удалённость от самовозбужде­ ния, принимают коэффициент устойчивости [Л2, стр. 83]:.

( 1. 1)

где R g — резонансное сопротивление входного контура усили­ теля без учёта влияния обратных связей, а Я ’э — резонансное

сопротивление того же контура с учётом обратных связей и при

7

самой невыгодной комбинации расстроек всех колебательных контуров».

В. И. Сифоров показал, что устойчивый резонансный коэф­ фициент усиления одной ступени многоступенного резонансного усилителя с одинаковыми контурами (включая входной) при данном К у может быть найден как

где S — крутизна характеристики, Сса — ёмкость сетка—анод лампы, п — число ступеней.

Величину К у В. И. Сифоров рекомендует выбирать равной 0,8-=-0,9 [Л2, стр. 85]. Коэффициент устойчивости, определённый выражением (1.1), имеет ясный физический смысл. Норма 0,8—j—0,9 была предложена без достаточного обоснования, а толь­ ко исходя из соображений, что «для обеспечения высокой устой­ чивости Ку нужно выбирать возможно более близким к едини­ це», но выбирать его «очень близким к единице с точки зрения усиления нецелесообразно». Всё же эта норма выдержала мно­ голетнюю проверку практикой. Формулы (1.2) достаточно про­ сты и удобны для инженерных расчётов. Эти причины и опреде-, лили большое практическое значение работы В. И. Сифорова.

Однако в 1949 г. А. А. Колосов подверг эту работу критике, указав, что в ней рассматривается лишь влияние обратной связи через внутриламповую ёмкость анод—сетка, не вскрывается связь между частотой самовозбуждения и частотой настройки усилителя и не учитываются особенности свч диапазона [ЛЗ,

стр. 348].

А. А. Колосов предложил исходить при оценке устойчивости резонансного усилителя, понимаемой, опять-таки, в первую оче­ редь, как удалённость от самовозбуждения, из анализа К р — «коэффициента передачи по кольцу обратной связи», в соответ­ ствии с общей теорией усилителей с обратной связью, изложен­ ной Г. Боде [Л4], и определить коэффициент устойчивости усили­ теля как [ЛЗ, стр. 361]

зей, Ко — коэффициент усиления при наличие обратных связей»,

R0e и Roe— резонансное сопротивление контура при отсутствии

8