Ламповые и транзисторные уч за счёт отсечки анодного или коллекторного тока

(УЧ с безынерционным управлением АЭ)

Как уже отмечалось, ламповый ГВВ по любой схеме: с общим катодом или общей сеткой, равно как и транзисторный генератор по схеме с общим эмиттером или общей базой, может быть поставлен в режим умножения частоты. При этом мгновенные напряжения на входных электродах лампы или транзистора определяются соотношениями (1.1):³

а мгновенные напряжения на выходных электродах определяются соответственно соотношениями (1.2), записанными в виде:

где n– номер выделяемой гармоники анодного или коллекторного тока.

Последние соотношения справедливы при условии, что на контуре в выходной цепи ГВВ присутствует только напряжение выделяемой гармоники выходного тока, что допустимо считать.

При работе лампы или транзистора в области недонапряжённого вплоть до критического режима основное уравнение ГВВ в терминах, например, лампового генератора, принимает вид:⁴

(18.1)

Обращение к представленной записи уравнения ГВВ в режиме умножения частоты при работе лампы в основной области семейства её статических ВАХ позволяет глубже понять особенности умножения частоты в ГВВ. У транзистора, как неоднократно отмечалось ранее, с большим основанием можно считать параметр D= 0. При этом приведенное уравнение упрощается.

Динамические характеристики (ДХ) анодного тока в УЧ весьма существенно отличаются от ДХ анодного тока усилителя, что приводит к отличию формы импульсов анодного тока в УЧ при одинаковых значениях напряжений на электродах лампы в режимах усиления мощности (напряжения) и умножения частоты.

На рис.18.1 представлены для сравнения ДХ и формы импульсов анодного тока для удвоителя частоты (n= 2) и усилителя мощности (напряжения) при одинаковых амплитудах переменных напряжений на электродах лампы и одинаковых напряжениях питанияЕ_А,Е_С. Причём ДХ построены для случаяЕ_С=Е ^/_С, когдаθ= 90° в ГВВ – усилителе. Выделенный участок на оси абсциссе_Аотносится к ДХ удвоителя частоты и приходится на моменты отсутствия анодного тока.

Как видно, форма импульсов анодного тока в УЧ существенно отличается от формы импульсов тока в ГВВ – усилителе. Искажения формы импульсов анодного тока в УЧ по сравнению с косинусоидальной тем больше и заметнее, чем больше проницаемость D. Поэтому в ламповых УЧ предпочтение отдаётся лампам с малой проницаемостью: лучевым тетродам и пентодам. В общем случае с реакцией анода в УЧ можно не считаться, еслиD≤ (0,01…0,025). Сказанное относится и к транзисторным УЧ.

Напряжённость режима АЭ при умножении частоты, как и при усилении, определяется соотношением напряжений

е_{С МАКС}=U_МС–Е_С;

е_{А МИН}=Е_А–U_MA

в ламповом УЧ и

е_{Б МАКС}=U_МБ–Е_Б;

е_{К МИН}=Е_К–U_MК

в транзисторном УЧ.

С точки зрения напряжённости оптимальным для умножения частоты, как и для усиления, является критический режим. Импульсы анодного и коллекторного токов при этом имеют практически косинусоидальную форму (при малых значениях Dпровал в форме импульсов тока при работе в недонапряжённом и критическом режимах мал и с ним можно не считаться), следовательно, амплитуда выделяемой гармоники выходного тока связана с амплитудой косинусоидального импульса известным соотношением:⁵

где I_An,Kn– амплитудаn-й выделяемой гармоники анодного или коллекторного тока;I_MA,MK– амплитуда косинусоидальных импульсов анодного или коллекторного тока;α_n(θ) – коэффициент пропорциональности между амплитудой косинусоидальных импульсов выходного тока и амплитудойn-й гармоники.

Колебательная мощность, которая может быть получена в режиме умножения частоты

где R_oe– эквивалентное сопротивление контура в анодной или коллекторной цепи соответственно лампы или транзистора, настроенного на частоту выделяемой гармоники выходного тока.

Как отмечалось в лекции 5, наибольшее значение коэффициент α_n(θ) имеет при нижнем угле отсечки выходного тока АЭ

.

При этом, если для первой гармоники максимальное значение коэффициента α_{1 МАКС}= 0,536 приθ= 120°, то для второй гармоникиα_{2 МАКС}= 0,275 приθ= 60°, а для третьей гармоникиα_{3 МАКС}= 0,185 приθ= 40°, то есть максимальные значения коэффициентовα_{n МАКС}для высших гармоник приблизительно обратно пропорциональны номеру гармоники относительноα_{1 МАКС}:

α_{n МАКС}≈α_{1 МАКС}/n.

Следовательно, при прочих равных условиях, колебательная мощность, которую можно получить в УЧ, будет в nраз меньше, чем в режиме усиления при использовании той же лампы или транзистора.

Так как в паспортных данных на лампу или транзистор указывается колебательная или выходная мощность, которую прибор может отдать в режиме усиления, то, очевидно, при заданной колебательной мощности УЧ P_~nлампу или транзистор необходимо выбирать, исходя из мощностиP_~НОМ=P_~1=nP_~n.

Если лампа имеет запас по току эмиссии, то при использовании её в УЧ прибегают к форсированию по току. На форсированное использование лампы по току можно пойти, если, кроме запаса по току эмиссии, лампа имеет запас и по мощности рассеяния на управляющей сетке. Для большинства используемых тетродов и пентодов такая возможность есть, поэтому для удвоителя частоты можно выбирать лампу на мощность

P_~НОМ≈ 1,5 P_~2,

а для утроителя частоты на мощность

P_~НОМ≈ 2 P_~3.

Последние соотношения вытекают из следующих рассуждений. Как отмечалось (см. лекцию 6), у ламп, не имеющих ограничения по току эмиссии, нижний угол отсечки анодного тока θвыбирается около 60° и у таких ламп ограничивающим является использование по постоянной составляющей анодного токаI_{А0 ДОП}(см. лекцию 7). Следовательно, колебательная мощность, отдаваемая лампой в режиме усиления, при этом будет

При таком же использовании по току в удвоителе частоты при оптимальном угле отсечки анодного тока θ= 60° отдаваемая лампой мощность будет

Очевидно, при прочих одинаковых параметрах, включая равенство коэффициентов использования напряжения анодного питания , получаем

Для утроителя частоты при оптимальном угле отсечки анодного тока θ= 40°

.

Соответственно,

Так как меньшему углу отсечки анодного тока соответствует меньшее значение коэффициента использования напряжения анодного питания при таком же использовании по постоянному току (см. рис.6.6, лекция 6), то , соответственно результирующий коэффициент приP_~3в последнем соотношении возрастёт, приближаясь к 2. Кроме того, в ламповых УЧ рекомендуется принимать значения нижнего угла отсечки анодного тока несколько больше оптимальных: при удвоении частотыθ≈ (65°…70°), а при утроении частотыθ≈ (45°…50°). Отношение коэффициентовβ₁/β_nпри этом существенно возрастает. Так, если принять для утроителя частотыθ= 50°, тоβ₁(60°)/β₃(50°) = 1,80/0,934 ≈ 1,93. Выбор угла отсечки анодного тока несколько больше оптимального позволяет понизить требуемую амплитуду напряжения возбужденияU_МСи уменьшить величину требуемого напряжения смещения.

Следует отметить, что реализация оптимальных углов отсечки в транзисторных УЧ более проблематична, чем в ламповых, так как подача запирающего напряжения на базу обусловливает снижение амплитуды сигнала возбуждения U_МБиз-за опасности пробоя перехода эмиттер-база и соответственно не позволяет работать с большим импульсом коллекторного тока (см. рис.6.9, лекция 6), что резко уменьшает выходную мощность транзистора. На практике часто применяются транзисторные удвоители частоты с «нулевым» смещением. Схема такого УЧ представлена на рис.18.2.

Транзисторы возбуждаются противофазными сигналами, как в двухтактном ГВВ (см. лекцию 15). Соответственно в составе коллекторных токов чётные гармоники находятся в фазе, а нечётные – в противофазе. Коллекторы транзисторов включены параллельно, соответственно через выходную согласующую цепь коллекторные токи протекают в одном направлении, как в общем проводе двухтактного ГВВ. В этом случае чётные гармоники коллекторных токов транзисторов складываются в нагрузке, а нечётные, включая самую сильную первую, вычитаются. Выходной контурС₁,L,С₂настраивается на вторую гармонику. Остальные чётные гармоники (четвёртая, шестая и т.д.) эффективно подавляются контуром. Если нижний угол отсечки коллекторного тока установить 90⁰, то при косинусоидальных импульсах в составе тока не будет нечётных гармоник, кроме первой. Но, как уже отмечалось, нечётные гармоники в выходной цепи вычитаются, поэтому нет необходимости в выбореθ= 90° и можно использовать «нулевое» смещение, что существенно упрощает схему УЧ. Рассмотренная схема удвоителя частоты может обеспечить эффективную работу без перестройки примерно в октавной полосе частот. Иногда для упрощения схемы и расширения рабочей полосы частот из неё исключают цепьС₁,L,С₂, справедливо полагая, что, во-первых, уровень высших чётных гармоник весьма низок, а, во-вторых, ожидается их ослабление в последующих каскадах радиочастотного тракта, имеющих резонансные колебательные системы.

Расчёт УЧ на заданную мощность P_~nпроизводится как и усилителя мощности. Исходя из заданной мощности и рабочей частоты (диапазона рабочих частот) выбирается АЭ: лампа или транзистор. При выборе мощности АЭ учитывают приведенные выше соотношения, связывающие мощность АЭ в режимах усиления мощности и умножения частоты. Рабочая частота УЧ – его выходная частота. Выбрав АЭ и нижний угол отсечки анодного или коллекторного токаθс учётом рекомендаций, определяем

Амплитуда колебательного напряжения

Амплитуда тока выделяемой (рабочей) гармоники

и т.д. по методике расчёта ГВВ – усилителя на заданную мощность (см. лекцию 7).

Необходимое сопротивление нагрузки в выходной цепи АЭ

Из рассмотрения правой части последнего соотношения, учитывая, что , следует, что для обеспечения критического режима, как в усилителе, в УЧ требуется обеспечить эквивалентное сопротивление нагрузки в анодной или коллекторной цепи примерно вnраз больше. Необходимость работы с большимR_oeявляется одним из существенных недостатков ламповых УЧ, так при этом приходится ограничиваться меньшим КПД контура. Обратим внимание, что выбор АЭ и расчёт режима УЧ, как и усилителя, производится, исходя из мощности в полезной нагрузке УЧ, то есть с учётом КПД контура (цепи согласования). В транзисторных УЧ особых проблем с обеспечением необходимого значенияR_oeобычно нет.

Если в УЧ используется параллельное или двухтактное включение АЭ, то расчёт вначале производят на мощность одного элемента, а затем соответствующие параметры режима увеличивают в соответствующее число раз.

КПД анодной, коллекторной цепи УЧ

.

Так как при одном и том же угле отсечки тока θкоэффициентменьше, то КПД УЧ будет меньше, чем у усилителя при таком же режиме. Если принять для усилителяθ= 90°, а для УЧ соответствующий оптимальный угол, тоβ₁(90°) = 1,57;β₂(60°) = 1,27;β₃(40°) = 1,26. При этом оказываетсяβ₂(60°)/ β₁(90°) ≈β₃(40°)/ β₁(90°) ≈ 0,80, то есть КПД анодной, коллекторной цепи УЧ на 2 и 3, как минимум, на 20% будет меньше, чем у усилителя.

Меньшее значение КПД анодной, коллекторной цепи УЧ обусловливает увеличение рассеиваемой на аноде, коллекторе мощности, что ухудшает температурный режим работы прибора. Это также одна из причин, почему в ламповых и транзисторных УЧ обычно ограничиваются умножением частоты в 2 или 3 раза (до 4 в транзисторных УЧ).⁶

Низкое значение КПД анодной, коллекторной цепи и низкое значение КПД выходной цепи согласования, особенно в ламповом УЧ, обусловливают низкое значение его результирующего КПД. Учитывая это, а также плохое использование АЭ по мощности, целесообразно вводить УЧ в состав той части радиочастотного тракта, где низкие энергетические показатели УЧ не окажут существенного влияния на энергетические показатели, например, радиопередатчика в целом.

Так как во входной и выходной цепях УЧ в основном действуют сигналы существенно разных частот, то опасность самовозбуждения лампового УЧ за счёт связи через межэлектродную ёмкость С_АСпрактически исчезает. Исходя из этого, можно рекомендовать использовать в ламповых УЧ схему с общим катодом (ОК). Известны реализации УЧ на лампах по схеме с ОК на частоты свыше 1000 МГц. В то же время многие лампы СВЧ конструктивно предназначены для использования по схеме с общей сеткой (ОС). Поэтому и УЧ на таких лампах приходится строить по схеме с ОС. В ламповом УЧ по схеме с ОС колебательная мощность выделяемой гармоникиP_~nпрактически такая же, как в схеме ОК. А мощность возбуждения больше на величину «проходной» мощности⁷

,

которая в УЧ полностью рассеивается на аноде лампы. Соответственно рассеиваемая на аноде лампы мощность в УЧ по схеме с ОС

.

Величина «проходной» мощности в УЧ может оказаться весьма значительной, так как УЧ работают с малыми углами отсечки анодного тока и соответственно с большими амплитудами сигнала возбуждения U_MC. Необходимо, чтобы выполнялось условие

Отметим ещё одну особенность УЧ за счёт отсечки анодного, коллекторного тока. Если для УЧ задана амплитуда напряжения возбуждения U_MCилиU_MБ(или амплитуда тока возбужденияI_МБпри возбуждении транзисторного УЧ током), то составляющие выходного тока: анодного или коллекторного определяются с помощью коэффициентовγ_n(θ), в частности:⁸

(18.2)

Коэффициенты γ_n(θ) по величине, то есть | γ_n(θ) |, оказываются симметричными относительно углаθ = 90° и имеют (n– 1) максимумов.⁹Главные максимумы | γ_n(θ) | приnчётном имеют место приθ= 90°, при нечётномnглавных максимумов два: один слева, другой справа отθ= 90°. Однако на практике часто исходят из условия получения наибольшего КПД анодной, коллекторной цепи УЧ и принимают за оптимальный угол отсечки, соответствующий крайнему левому максимуму | γ_n(θ) |, который несколько меньше главного максимума. При таком подходе оптимальный угол отсечки может быть выбран из условия

θ_ОПТ= 180°/n.

Зная амплитуду напряжения (тока) возбуждения и выбрав угол отсечки θ, можно определить амплитуду тока интересующей гармоники (18.2). Реакцией анода в ламповом УЧ на начальном этапе расчёта можно пренебречь. У транзисторного УЧ с большим основанием можно пренебречь членомDU_MK. В любом случае после определения амплитуды выходного колебательного напряжения УЧ можно уточнить, если необходимо, величину тока гармоники.

Если при заданной амплитуде напряжения возбуждения U_MC,MKзадана колебательная мощность УЧP_~n, то амплитуда тока нужной гармоники может быть определена на основании соотношения, вытекающего из (18.2):

(18.3)

Очевидно, если под знаком корня получится отрицательное число, то это будет означать, что при заданной амплитуде сигнала возбуждения необходимая колебательная мощность не может быть получена.

Определив амплитуду тока выделяемой гармоники, можно найти постоянную составляющую тока, потребляемую мощность от источника питания анода или коллектора, требуемое сопротивление нагрузки и другие параметры режима. Необходимо в процессе расчёта или после его завершения проверить, что при найденных параметрах режим работы АЭ будет недонапряжённым или критическим. Если при найденных параметрах режим оказывается перенапряжённым, то следует скорректировать соответствующие параметры.

В схеме двухтактного удвоителя частоты (рис.18.2) особенно полезно использование полевых транзисторов (ПТ), у которых нижняя часть проходной ВАХ i_C=f(e_З), гдеi_C– ток стока (выходной ток ПТ),е_З– напряжение на затворе (напряжение между затвором и истоком), имеет довольно протяжённый квадратичный участок, на котором

где K– коэффициент пропорциональности;Е ^/_З– напряжение отсечки.

Учитывая, что на входе одного ПТ действует напряжение

,

а на входе другого напряжение

,

где Е_З– напряжение в рабочей точке, для суммарного тока через выходную цепь получаем

.

Как видим, результирующий выходной ток содержит только постоянную составляющую и вторую гармонику. Соответственно напряжение на нагрузке оказывается чисто гармоническим с частотой 2ω. Отсутствие в составе результирующего тока других гармоник позволяет упростить выходную цепь УЧ, исключив из её состава избирательную цепьС₁,L,С₂. Обратим внимание, что при использовании ПТ в схему УЧ (рис.18.2) для повышения эффективности преобразования частоты сигнала может потребоваться ввести цепь смещения.

Параметрические транзисторные умножители частоты

Выше мы рассмотрели УЧ, в том числе и на транзисторах, в которых умножение частоты осуществляется за счёт отсечки коллекторного тока. Транзистор в таких УЧ обычно работает в режиме «большого сигнала». В то же время в транзисторных ГВВ возможно умножение частоты за счёт нелинейного характера ёмкости перехода коллектор-база. Транзисторные УЧ, в которых используется эффект нелинейности ёмкости коллекторного перехода, носят название параметрических.

Принцип параметрического умножения частоты в транзисторных генераторах целесообразно использовать при частоте выходного сигнала, превышающей в 2…3 раза значение граничной частоты транзистора f_ГР=β₀f_β, гдеβ₀– статический коэффициент передачи по току транзистора в схеме с общим эмиттером;f_β– частота, на которой модуль коэффициента передачи по току транзистора при включении с общим эмиттером уменьшаетсяраз по сравнению со статическим коэффициентомβ₀. Только в этом случае умножение частоты в основном будет происходить за счёт параметрического эффекта и в меньшей степени за счёт нелинейности статических ВАХ и отсечки коллекторного тока.

Параметрическое умножение частоты в транзисторном генераторе осуществляется с большим КПД, поэтому параметрические транзисторные УЧ обеспечивают заметно большее значение выходной мощности, нежели УЧ с отсечкой коллекторного тока. Часто мощность n-й гармоники оказывается почти такой же, как мощность основной гармоники при работе транзистора в режиме усиления. Использование параметрического эффекта в транзисторах для умножения частоты позволяет заметно расширить диапазон рабочих частот этого класса приборов.

На рис.18.3 представлена общая структурная схема параметрического умножителя частоты на транзисторе.

В схеме имеется четыре фильтра: Ф₁,Ф₂,Ф₃,Ф₄. Фильтр последовательного типаФ₁, включенный в коллекторную цепь, настраивается на частоту основной – первой гармоникиω. ФильтрФ₃, включенный последовательно с нагрузкойR_Н, настраивается на частоту интересующей гармоникиnω. ФильтрФ₂настраивается на промежуточную гармоникуkωдля усиления эффекта умножения частоты. В частности, приn= 3 и 4k= 2. ФильтрФ₄служит для обеспечения малого сопротивления цепи эмиттер-база на рабочей частотеnω. Пунктиром на схеме (рис.18.3) показана ёмкость перехода коллектор-базаС_КБ, за счёт которой осуществляется параметрическое умножение частоты, и сопротивление потерь в этой ёмкостиR_S.

На рис.18.4 показана принципиальная схема транзисторного параметрического утроителя частоты.

Напряжение смещения создаётся за счёт базового тока I_Б0. Конденсатор ёмкостьюС_Бможет отсутствовать, так как обычно сопротивлениеR_Бмало по сравнению сωL_БЛ. Возможно применение эмиттерного смещения.

Коэффициент полезного действия коллекторной цепи параметрических транзисторных УЧ

обычно лежит в пределах (10…30)%. В связи с этим подобные УЧ применяются в качестве маломощных каскадов радиопередатчиков.

На рис.18.5 для сравнения приведена принципиальная схема транзисторного утроителя частоты, в котором умножение частоты сигнала осуществляется за счёт отсечки коллекторного тока.

В выходной цепи транзистора включен П-контур (с учётом выходной ёмкости транзистора), настроенный на третью гармонику коллекторного тока. Для подавления побочных составляющих тока: первой и второй гармоник, как наиболее сильных, в коллекторную цепь включаются последовательные фильтры, настроенные, соответственно, на основную частоту ωи вторую гармонику 2ω. Для третьей гармоники 3ωэти фильтры представляют индуктивное сопротивление, которое учитывается при расчёте фильтра (П-контура) третьей гармоники. При умножении на 4 в схему необходимо будет добавить ещё один последовательный фильтр.

Во входной цепи УЧ (рис.18.5) имеется только фильтр (согласующая цепь), настроенный на частоту основного (входного) сигнала.

Нижний угол отсечки коллекторного тока устанавливается цепью эмиттерного смещения R_Э,С_Э.

Из приведенного описания входных и выходных согласующих цепей транзисторных параметрического (рис.18.4) и непараметрического УЧ (рис.18.5) нетрудно видеть их особенности.

Выходная цепь любого транзисторного УЧ (с отсечкой коллекторного тока и параметрического) может быть также реализована в виде полосового фильтра, например, из двух параллельных контуров с внешней ёмкостной связью.