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

Из формулы (7.28) видно, что при увеличе­ нии полосы пропускания каскада (т. е. при умень­ шении Пуф) Ацф должно расти, что приводит к не­

вательно, к уменьшению ной фиксированной частоты от

коэффициента усиления. коэффициента перекрытия частот­ ного диапазона.

Если в усилителе без по­ терь увеличение коэффи­

циента усиления в принципе можно обеспечить увеличе­ нием числа секций без уменьшения полосы пропускания, то при наличии потерь в реальном каскаде УРУ увели­ чение п вначале только уменьшает подъем АЧХ в обла­

сти верхних частот без уменьшения полосы пропускания, а начиная с некоторого значения, приводит к спаду АЧХ в области верхних частот.

Подставляя (7.26), (7.28) в (7.27) или (5.156) и нор-

мируя W,Ш о т т и R uk одновременно относительно некото­

рого сопротивления 7?Н=Ю0 Ом, получим соотношения

позволяющие е помощью графика (рис. 5.6) или с по­ мощью аналитической зависимости (7.31) связать между собой оптимальное число секций nopt, параметры исполь­

зуемых фильтров и усилительных элементов, а также фиксированную частоту, близкую к верхней частоте фильтра. При расчете Пуф и 7?цКф в формулах (7.5) и (7.11) вместо у берется величина, равная

У ф — ( Ш ф / с О с р в ,) ( с О с р в /( Н т .) >

в которой соф/соерв определяется по (7.29), Мсрв/сот явля­ ется заданной. Уровень спада АЧХ Мф может браться

в пределах 0,7— 1 в зависимости от требований к равно­ мерности АЧХ.

На зависимость nopt от верхней граничной частоты

существенное влияние оказывает величина проходной ем­ кости первой лампы по схеме с общим катодом. На

133

рис. 7.6 построены Зависимости (tl0pt т;«) /Ю0 Ом of

фиксированной частоты, отнесенной к /т, при различных

При известном типе ламп, заданной абсолютной по­ лосе пропускания и при обеспечении допустимого спада АЧХ' однозначно определяется максимально возможное число секций, а следовательно, и коэффициент усиления. Если в каскаде без потерь (идеальный случай) уменьше­ ние коэффициента усиления секции с ростом полосы мо­ жет быть скомпенсировано увеличением числа секций, то в реальном случае коэффициент усиления уменьшает­ ся в результате уменьшения как характеристических со­ противлений, так и п0Р(.

При определении оптимального числа секций фикси­ ровался некоторый уровень АЧХ на частоте, близкой к верхней граничной частоте фильтра. При этом форма АЧХ не рассматривалась. На рис. 7.7, 7.8 построены за­

а также при re=const = 4 и различных [ф//т (рис.7.8). Для всех кривых ецР = 0,45, s ' " — 17 мА/В. Оптимум, опреде­

ся пологий минимум при х<0,9. Однако этот минимум мало отличается от значения Мф при л:=0,9.

134

Инженерный расчет элементов каскада на электрон­ ных лампах, включенных по каскодной схеме ОК—ОС.

При заданных полосе пропускания / Срн и /Ср в, харак­ теристических сопротивлениях дош 2min и типе используе­

мых триодов прежде всего рассчитываются емкости фильтров См,2 по формулам (4.10) и формулам, приве­

денным в табл. 4.1. Верхнюю и нижнюю граничные ча­ стоты фильтров необходимо брать одинаковыми для

Рис. 7.7. Приведенная АЧХ каскада на ТКЛ по каскодной схеме ОК-ОС и ФНЧ типа k при /ф/^т = 1 и различных значениях п.

Рис. 7.8. Приведенная АЧХ каскада на ТКЛ по каскодной схеме ОК-ОС и ФНЧ типа /г при п =4 и различных значениях Уф=/ф//т.

входной и выходной линии для обеспечения синфазности. Емкости См,г образуются емкостями усилительных эле­ ментов Ски,2з (с учетом монтажных емкостей) и добавоч­

В случае, если См,г окажутся меньше Скц,22, необходимо

либо уменьшить характеристические сопротивления, либо сузить полосу пропускания. Как правило, входная линия строится без СДоб1. С помощью формул, приведенных в гл. 4, рассчитываются величины индуктивностей La1,2 См,2. Далее по (7.31) определяется оптимальное число секций. Предварительно по рис. 7.5 находится соф/сов для ФНЧ типа k о)ф/(йв= 0 ,9 . Коэффициент усиления каска­

да рассчитывается по (7.22).

При расчете элементов полузвеньев согласующих сек­ ций по формулам (4.14) необходимо исходить из усло­ вий: ®П1 2min ~ wb>nl,2, 0)орв= Ц>срт (tfl — 0,5 0,6). В MHO-

гокаскадном усилителе, как уже указывалось, ха­ рактеристические сопротивления целесообразно делать одинаковыми. Однако, вследствие того, что Снк>С22к,

можно повысить коэффициент усиления, увеличивая ха­ рактеристическое сопротивление выходной линии, т. е.

135

уменьшая СгДОб- В этом случае применяется пассивное

или активное переходное устройство, коэффициент пере­ дачи которого необходимо учитывать при расчете обще­ го коэффициента усиления каскада. В связи с большим разнообразием возможных схем ПУ расчет его коэффи­ циента передачи здесь не рассматривается.

7.4. КОЭФФИЦИЕНТ ШУМА КАСКАДА НА ТРИОДАХ, ВКЛЮЧЕННЫХ ПО КАСКОДНОЙ СХЕМЕ ОК—ОС

7.4.1.Источники шума каскодной схемы

Вэлектронной лампе — триоде на высоких частотах шумы обусловлены в основном двумя источниками: ис­

точником дробовых шумов 12дР и источником наведенных

шумов г2я (рис. 7.9).

Дробовые шумы являются следствием неоднородно­ сти потока электронов в лампе. Характеристики дробо­

нов. Квадрат действующего значения дробового шумово­ го тока триода равен

136

При т л == ю о о к

Наведенный сеточный шум обусловлен пролетным эффектом, состоящим в наведении заряда на сетке при движении электрона вблизи нее и, следовательно, в об­ разовании флуктуаций сеточного тока. Шумовая состав­ ляющая наведенного тока, появившаяся в результате пролетного эффекта [47], определяется по формуле:

с плоскопараллельной конструкцией); гск— расстояние сетка — катод, см; Uci — эквивалентный потенциал, В, действующий в плоскости сетки; Uclx Uco+DU&0', ,Uсо — напряжение на сетке относительно катода в рабо­ чей точке; £/ао — напряжение на аноде; D — проницае­

мость лампы.

Рис. 7.10. Эквивалентная схема усили­ тельного элемента —■каскодной схемы ОК—ОС с источниками шумов.

Наведенные шумы должны быть полностью коррелированы с дробовыми шумами, поскольку причиной сеточ­ ного шума являются те же флуктуации эмиссии катода. Однако, как показано экспериментально рядом исследо­ вателей, между дробовыми и наведенными шумами не существует полной корреляции. В некоторых случаях не­ коррелированная составляющая достигает 70% коррели­ рованной составляющей шумового тока сетки [48].

Таким образом, в усилительном элементе — каскод­ ной схеме ОК — ОС в общем случае имеется четыре внутренних источника шумов: два источника дробовых шумов и два источника наведенных шумов (рис. 7.10) *).

*> В эквивалентной схеме (рис. 7.10) емкости С'ск и С"са отне­ сены к передающим линиям.

137

Нетрудно показать, что для титанокерамических триодов

Поэтому источником наведенного шума второй лам­ пы вполне можно пренебречь по сравнению с источни­ ком дробового шума первой лампы, поскольку оба ис­ точника включены в одну точку схемы УЭ. Источником • наведенных шумов первой лампы также можно прене­ бречь, хотя и с меньшим основанием, поскольку мощ­ ность на выходе от действия этого источника формирует­ ся всеми усилительными элементами каскада, а его мощность в результате увеличивается, например, по сравнению с мощностью источника дробового шума вто­ рой лампы приблизительно в число раз, равное коэффи­ циенту усиления каскада по мощности. Однако, как пра­ вило, коэффициент усиления по мощности не превышает 10 дБ, и составляющая Fm от Cf'n на порядок меньше

составляющей от Таким образом, на коэффициент шума каскада УРУ

на электронных лампах по каскодной схеме ОК — ОС основное влияние оказывают дробовые шумы, определяе­ мые источником дробовых шумов второй лампы, сосредо­ точенном на внешних полюсах УЭ, и источником дробо­ вых шумов первой лампы.

Из эквивалентной схемы (рис. 7.10) в режиме корот­ кого замыкания входных и выходных полюсов имеем для

7.4.2. Составляющие коэффициента шума

Коэффициент шума представляет собой сумму следу­ ющих составляющих *)

*> Анализ проводится при допущениях, принятых в § 7.3.

138

где Кео и М определяются по формулам соответственно

ные источниками дробовых шумов соответственно первой и второй ламп.

можно определенно сказать, что если амплитудно-частот­ ная характеристика каскада имеет падающий характер, то составляющая Р"вдр непременно увеличивается с ро­

стом частоты. На частоте минимума характеристического

139

Ч~ а (Ус^ т d X 5Rl ) | ’ (7.46)

а — \ - \ - (sllvy/dsY, b = 1 у2(1 -f-sDp)2,

с = 1 -f- snP (1 — 1/dv),

d = 1 — y 2sup(l 4~ Snp)/^K-

Произведем количественную оценку коэффициента шума каска­ да на ФНЧ типа к. На низких частотах, когда можно считать, что относительные частоты >(х, у) и собственное затухание равны нулю,

Рис. 7.11. Расчетные зависимости от частоты составляющих коэффи­ циента шума каскада на ТКЛ, включенных по каскодной схеме.

Рис. 7.12. Расчетная (1) и экспериментальная (2) частотные зависи­ мости Fm каскада на ТКЛ, включенных по каскодной схеме.

Коэффициент шума на низких частотах может быть уменьшен путем увеличения числа секций, крутизны пер­ вой лампы и характеристического сопротивления входной линии. Однако, как было показано ранее, произведение n w 0i при постоянной верхней граничной частоте есть ве­ личина постоянная, определяемая требованиями равно­ мерности АЧХ. Поскольку это произведение с увеличе­ нием полосы пропускания уменьшается, то величина коэффициента шума при этом будет расти даже на низ­ ких частотах.

Интересно оценить вклад каждой составляющей в общий ко­ эффициент шума. Для этого определим составляющие, используя

140

Г л а в а 8

Т Р А Н З И С Т О Р Н Ы Е 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

8.1. ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ СХЕМЫ И ПАРАМЕТРЫ ТРАНЗИСТОРОВ

8.1.1. Эквивалентные схемы транзисторов

Транзистор любого типа является сложным устрой­ ством, параметры которого сильно зависят от различных факторов: частоты, температуры, электрического режима и т. д. Поэтому ясно, что создать эквивалентную схему, точно описывающую транзистор в широкой области ча­ стот, режимов и температур, практически невозможно.

Все многообразие существующих приближенных эк­ вивалентных схем транзистора, работающего в линейном режиме, можно подразделить на два типа. Первый — это схемы замещения эквивалентного транзистору четырех­ полюсника [17]. В этом случае транзистор рассматрива­ ется как невзаимный четырехполюсник, полностью ха­ рактеризуемый четырьмя комплексными частотно-зависи­ мыми параметрами в каждой из шести возможных си­ стем уравнений. Наиболее часто при расчете схем и ис­ пытаниях транзисторов используются системы у и h — параметров (3.1). Получив расчетным или экспери­

ментальным путем зависимости «/-параметров этих схем, можно формально заменить проводимости комбинация­ ми сосредоточенных элементов L, С, R. Таким образом,

можно получить эквивалентные схемы транзистора. По­ добные эквивалентные схемы включают до (восьми ча­ стотно-зависимых элементов и не раскрывают внутрен­

ские, моделирующие схемы, раскрывающие внутреннюю структуру транзистора [17, 49—53]. Схемы этого типа являются более общими по сравнению с первыми и мо­ гут использоваться в диапазоне частот и режимов.

Выбор той или иной физической эквивалентной схемы является сложной задачей, так как от этого зависит точ­ ность и простота расчетов. Дополнительно следует иметь в виду, что не все эквивалентные схемы этого типа до­ статочно теоретически обоснованы в применении к дрей-

142