книги из ГПНТБ / Кузьмин, А. А. Маломощные усилители с распределенным усилением

Глава 7

У С И Л И Т ЕЛ И С Р А С П Р Е Д Е Л Е Н Н Ы М У С И Л Е Н И Е М

Н А Э Л Е К Т Р О Н Н Ы Х Л А М П А Х

7.1. ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ СХЕМЫ И ПАРАМЕТРЫ УСИЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Наиболее перспективными электронными лампами для широкополосных усилителей диапазона метровых и дециметровых волн являются титанокерамические лампы (ТКЛ) [44], хотя в принципе могут использоваться и дру­ гие типы электронных усилительных ламп. Титанокера­ мические лампы обладают сравнительно малыми меж­ электродными емкостями, незначительными индуктивно­

применяемая вследствие малой эквивалентной крутизны, каскодная схема общий анод — общая сетка. В данной работе в основном будут рассматриваться усилители на

ния оценки параметров электронной лампы, имеющей схему замещения триода с ОК.

Схемы замещения триода по схеме с общим катодом и общей сеткой (ОС) показаны на рис. 7.2,а, б, где не

учитывается межэлектронная емкость анод — катод Сак поскольку она мала и практически обусловлена только монтажной емкостью, которая в УЭ по схеме с ОК мо-

124

жет быть отнесена к емкости фильтра, а в УЭ по каскодной схеме — к С"ск. Также не учтено внутреннее сопро­ тивление анодной цепи, так как для УРУ оно, как пра­ вило, много больше нагрузочного сопротивления (поло­ вины характеристического сопротивления фильтра вы­ ходной линии в точке подключения УЭ).

Электронные лампы в УРУ могут применяться толь­ ко в параллельном включении в передающие линии. При этом секция имеет структуру у. Следовательно, нас инте­

ресуют «/-параметры усилительных элементов: для триода по схеме с ОК

125

где введены следующие обозначения: .

Модуль г/21К, отнесенный к статической крутизне первой лампы, равен

расчете входных и выходных емкостей необходимо учитывать мон­ тажные емкости катушек индуктивностей и подводящих проводни­ ков, а также (если требуется) емкости дополнительных конденсато­ ров, включаемых для обеспечения синфазности и необходимых ха­ рактеристических сопротивлений линий.

Нетрудно показать, что для ТКЛ относительное изменение емкости Сцк в интересующем нас диапазоне частот невелико, а при наличии дополнительных емкостей еще меньше. Поэтому можно считать Сцк величиной постоянной и равной низкочастотному значе­ нию

Выходная емкость УЭ по каскодной схеме С22к — величина постоян­ ная и равна Сса". Ко входной и выходным емкостям, т. е. соответ­ ственно к Сс / и ССа", необходимо добавлять некоторую монтажную емкость, которая приблизительно составляет 1,5—2 пФ.

На рис. 7.3 показаны Снк/Сыко, Кк и Янк, нормированное относительно сопротивления 7?н=100 Ом в зависимости от у. При

126

расчете были взяты следующие величины крутизны и межэлектрод­

ИМЕЮЩЕГО СХЕМУ ЗАМЕЩЕНИЯ ТРИОДА С ОБЩИМ КАТОДОМ

Нередко технологические возможности и физические закономерности противоречивы, что ставит разработчи­ ков электронных ламп перед вопросом, какой оптималь­ ной совокупностью параметров должна обладать элек­ тронная лампа, предназначенная для широкополосного усиления. При решении указанной задачи отпала бы необходимость в применении составных усилительных элементов.

Рассмотрим данный вопрос применительно к УРУ на ФНЧ типа k и на усилительных элементах (триодах, тет­

с монтажными емкостями См1,2 и добавочными емкостя­ ми Сдод1>2 образуют емкости параллельных ветвей филь­

тров (рис. 4.6).

Поскольку параметры г/ц,22 не содержат действительных составляющих, постоянные распространения — чисто

127

полном согласовании передающих линий можем записать в виде

Формулы (7.18) — (7.20) полностью определяют необ­ ходимые параметры УЭ для обеспечения заданных вели­ чин коэффициента усиления, полосы пропускания и на­ грузочных сопротивлений.

В многокаскадных усилителях наиболее удобным яв­ ляется случай, когда Wai— w^. Тогда, взяв параметры

лампы ГС-11 (Сса=1,7 пФ, s = 17 мА/В) и |Ae4i | = 3, не­ трудно по (7.16) рассчитать верхнюю граничную частоту /ср=50 МГц, хотя емкость Сск позволяет построить фильтр с полосой пропускания на порядок большей, чем

128

50 МГц. Это говорит о том, что соотношение между Сса

и Сск в лампах ГС-11, с точки зрения использования их

враспределенных усилителях в схеме включения с об­ щим катодом, далеко не рациональное. Другими слова­ ми, триод ГС-11 в схеме включения с ОК может быть применен в качестве УЭ до частот 50 МГц. Несомненно, что выходом из положения является использование тет­ родов или составных УЭ.

Интересно рассчитать, какими параметрами должен обладать, например, тетрод, обеспечивающий коэффи­

достаточно полно изложен в литературе. К сожалению, тетроды и пентоды не плоско-параллельной конструкции обладают значительными индуктивностями выводов, что резко ограничивает диапазон частот их применения. За­ метим, что пентоды имеют весьма большой коэффициент шума. Наиболее оптимальным как с точки зрения усили­ тельных и частотных свойств, так и с точки зрения коэф­ фициента шума явился бы маломощный титанокерамиче­ ский тетрод.

7.3. АНАЛИЗ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КАСКАДА НА УСИЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ПО КАСКОДНОЙ СХЕМЕ ОБЩИЙ КАТОД — ОБЩАЯ СЕТКА

В УРУ наибольшее распространение получила каскодная схема включения электронных ламп общий катод — общая сетка (ОК — ОС), обеспечивающая хоро­ шую развязку передающих линий и широкую полосу уси­ ливаемых частот. Недостатком каскодной схемы являет­ ся уменьшение с ростом частоты модуля г/21к и активной составляющей R u K. Пренебрежение указанным свойством

параметров каскодной схемы приводит к существенным ошибкам при выборе числа секций в каскаде.

На рис. 7.4 представлена схема каскада на полосовых трехэлементных фильтрах. Поскольку ФНЧ типа k явля­

ется частным случаем ПТФ, то анализ АЧХ каскада на тех и других фильтрах можно провести одновременно. Введем некоторые допущения. Поскольку применяется каскодная схема, считаем, что обратная связь между ли-

ниями отсутствует (z/i2K= 0), а эквивалентные емкости параметров уцк и г/ггк от частоты не зависят и входят

в состав емкостей См,г- Согласующие секции, состоящие из полузвеньев ФНЧ типа т (т = 0,6), обеспечивают до­

статочно хорошее согласование передающих линий с ак­ тивными нагрузочными сопротивлениями и коэффициен-

Рис. 7.4. Схема каскада УРУ на триодах, включенных по каскодной схеме ОК—ОС.

ты отражения р, = 0. Опыт показывает, что для передаю­ щих линий на ПТФ применение согласующих полузвень­ ев с более сложной схемой, чем схема ФНЧ типа т,

нецелесообразно. Так как активная составляющая г/ггк равна нулю, собственное затухание фильтров выходной линии не учитываем (а2= 0 ). Потери во входной линии обусловлены частотно-зависимыми Яцк. Собственное за­ тухание фильтров входной линии олфО, но для каждой

отдельно взятой секции невелико и мало сказывается на частотных зависимостях характеристического сопротив­ ления и фазовой постоянной. Фазовые постоянные филь­ тров входной и выходной линий одинаковы (Pl = p2 = P).

Полагая на основании сделанных допущений

Yi—/Р + ai, у2— /Р> Pi — 0> Тс— 0,

из формулы (5.138) для рабочего коэффициента усиле­ ния при отсутствии обратной связи получим

130

где использованы выражения для характеристических параметров полосового трехэлементного фильтра (4.18).

Амплитудно-частотная характеристика ( \Кт\\ = /(со ))

определяется влиянием нескольких факторов. Спаду АЧХ с ростом частоты способствуют увеличение потерь и уменьшение | у 21 к | - Этим двум факторам противодейству­

ет рост характеристического сопротивления, выполняю­ щего роль корректирующего элемента. Влияние потерь тем сильнее, чем больше число секций в каскаде. При некотором оптимальном п имеет место взаимная компен­

сация, а амплитудно-частотная характеристика удовлет­ воряет требованию равномерности в диапазоне частот.

Таким образом, задачей настоящего анализа являет­ ся определение функциональной связи между заданной полосой пропускания, числом секций и параметрами УЭ при условии обеспечения некоторого допустимого уровня спада АЧХ на частотах, близких к верхней граничной ча­ стоте. Вопросы коррекции АЧХ на низких частотах здесь не рассматриваются.

найдена из (4.18) с использованием (4.21) и отражает частотную зависимость характеристического сопротивле­

ния (Vw= \ При X = X m i n ) ,

— функция потерь, которая может быть аппроксимиро­ вана выражениями (5.154) — (5.155). В формуле для соб-

Произведение псц, постоянное для каждого фиксиро­ ванного уровня Fn= F Пф, может быть представлено с по­

или с помощью формулы (5.156).

Пусть на некоторой фиксированной частоте со= соф> >a>min и близкой к верхней граничной частоте задан до­

пустимый уровень спада относительной АЧХ

Af('«> = соср) —Мф,

например, Мф=1/ J/2. Тогда из (7.23) получаем .

77пф=Мф/(ПУф17г(,ф). (7.28)

В (7.28) АПф, Пуф и V wф определяются также на частоте соф. Величина Vwф зависит от параметров фильтра (Хф— = (0ф/(0Срв и &д). Удобно ПОЛОЖИТЬ Vwф постоянной величи­

ной, считая при этом, что относительная фиксированная частота смещается при изменении коэффициента пере­ крытия частотного диапазона кя. Примем УЮф = 2,3, что с одной стороны соответствует л:ф = 0,9 для ФНЧ типа k,

а с другой, является наибольшей возможной величиной при Мф^0,7, максимальном Пуфтах= 1 и минимальном Fпфтт= 0,3 при паi= 3,2. По уровню Ушф можно опреде­

лить фиксированную частоту, отнесенную к верхней гра­ ничной частоте

■2 ^д +

d* = V«Ф — Л= 2,33(^ д+ 1)/(*д— 1)-

Для ФНЧ типа &(&д= оо)

Для ПТФ с уменьшением коэффициента Ад Шф/соСр в сме­

щается в сторону верхней граничной частоты. Зависи­ мость (7.29) построена на рис. 7.5.

132