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

ЗанНые схемы секций УРУ получили название соответст­ венно у, z, h, ^-структур [4].

Структура у является классической и используется

при описании усилительных элементов с большими вход­ ным и выходным сопротивлениями, например, электрон-

Рис. 1.3. Структурные схемы основной сек­ ции с различным включением УЭ в пере­ дающие линии:

а) параллельным; б) последовательным; в) по­ следовательно-параллельным; г) параллельно-по­ следовательным.

Рис. 1.4. Принципиальная схема каскада УРУ структуры у на тран­ зисторах по каскодной схеме ОЭ—ОБ.

10

ных ламп в схеме с общим катодом (рис. 1.1) или на транзисторах с составными УЭ по каскодиой схеме об­ щий эмиттер — общая база с противосвязью в эмиттере (рис. 1.4). Структура h может быть выполнена на тран­

зисторах по схеме с общей базой с применением симмет­ рирующих устройств, обеспечивающих последовательное

Рис. 1.5. Принципиальная схема каскада УРУ структуры h на тран­ зисторах по схеме с ОБ.

включение УЭ во входную передающую линию {5—7]. На рис. 1.5 показана одна из возможных схем структуры h.

На принципиальную возможность построения усилителей с распределенным усилением по схемам структур z и g

реходные устройства (ПУ)

представляют собой пассивные трансформаторы сопротив­ лений. Необратимые—дополнительно содержат электрон­ ные лампы или транзисторы для обеспечения коэффи­ циента передачи всего ПУ не менее единицы. Совокуп­ ность переходных устройств и каскада УРУ называется ступенью. При отсутствии ПУ ступень не отличается от каскада. Цепочечное соединение ступеней или каскадов, необходимое для достижения заданного коэффициента усиления, представляет собой многокаскадный УРУ.

11

В зависимости от диапазона применяемых фильтров УРУ подразделяются на УРУ нижних частот и полосо­ вые УРУ. В передающих линиях первых используются ФНЧ типа k и т [8, 9] и фильтры, построенные на отрез­

ках длинных линий i[10, 11]. В полосовых УРУ могут при­ меняться весьма разнообразные полосовые фильтры. На­ ибольшее распространение получили трехэлементпые и четырехэлементные (типа k) полосовые фильтры [12, 13].

Каскад УРУ может состоять из одинаковых и неодина­ ковых секций. В первом случае усилитель носит назва­ ние однородного, во втором — неоднородного. Для мощ­ ных усилителей с распределенным усилением предпочти­ тельна неоднородная схема, так как в этом случае улуч­ шаются их энергетические показатели [14]. Маломощные широкополосные УРУ гармонических сигналов обычно строятся по однородной схеме.

Разделение усилителей с распределенным усилением на мощные и маломощные обусловлено различием обла­ стей применения, а, следовательно, выдвижением на пер­ вый план различных комплексов технических показате­ лей. Для маломощных УРУ, применяемых в приемной измерительной, связной радиоэлектронной аппаратуре, наиболее важными являются такие показатели, как поло­ са пропускания, рабочий коэффициент усиления напря­ жения и его неравномерность в диапазоне частот, коэф­ фициент шума, динамический диапазон. Используемые методы анализа и схемные решения направлены на улуч­ шение этих показателей. Использование мощных УРУ, например, в широкодиапазонных радиопередатчиках,- кроме обеспечения таких показателей, как полоса про­ пускания, неравномерность коэффициента усиления, ди­ намический диапазон, требует решения весьма важной специфической задачи повышения энергетической эффек­ тивности усилителя, характеризуемой энергетическими показателями: к. п. д., коэффициентом использования по мощности усилительных приборов, коэффициентом уси­ ления мощности, мощностью выходного сигнала. Стрем­ ление получить высокие энергетические показатели су­ щественно отражается на схемах УРУ и методике их расчета [14].

Усилители с распределенным усилением также могут быть подразделены на усилители гармонических сигна­ лов и импульсные. Первые применяются для усиления сигналов, ширина спектра которых меньше полосы про­

12

пускания УРУ, и анализируются в установившемся ре­ жиме. Вторые применяются для усиления импульсов с весьма малыми длительностями фронтов. Анализ таких усилителей целесообразно проводить в переходном ре­ жиме [15, 16]. В настоящей работе рассматриваются ма­ ломощные широкополосные однородные УРУ гармони­ ческих сигналов на электронных лампах и транзисторах.

1.2. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШИРОКОПОЛОСНЫХ МАЛОМОЩНЫХ УРУ

На схеме каскада усилителя, представленного в виде восьмиполюсника на рис. 1.7, нечетными цифрами обо­ значены полюса входной ПЛ, а четными — выходной. Усиливаемый сигнал подается на полюса 1 и снимается с полюсов 4. Однако любая пара полюсов каскада мо­

жет рассматриваться в качестве входной или выходной.

Для анализа работы усилителя, а также при его на­ стройке и эксплуатации используются рабочие коэффи­

циенты передачи напряжения Кен или тока К-ч 0ПРе‘

V j‘i

деляемые как отношение комплексных амплитуд напряжений или токов на полюсах / к половине э. д. с. Е гене­

ратора, действующей только на полюсах

рис. 1.7,6 штрихом, в формуле (1.1) для сокращения записи пред­ ставлены без штрихов.

13

На рис. 1.7 направления передачи показаны стрелка­ ми и соответствующими индексами. Рабочие коэффици­ енты передачи мощности Крц определяются как отноше­

ние комплексной мощности в нагрузке Z,- к максималь­ ной комплексной мощности, отдаваемой генератором на согласованном входе i:

Kpji = Pi/Pi max = UililVihUax = K%t (Zi/Zj). (1.2)

Таким образом, рабочие коэффициенты передачи учи­ тывают не только внутренние свойства восьмиполюсни­

ных направлениях необходимы для теоретического и экс­ периментального исследования характеристик каскада УРУ: коэффициентов усиления (/(41,2 1), коэффициентов передачи вдоль передающих линий (Kis,31,24,42), коэффи­ циентов развязки (/(12,14), коэффициента шума, для ана­ лиза которого требуются /(41,42,43, коэффициентов стоячей

волны напряжений или входных сопротивлений, опреде­ ляемых через Ки-

Рабочие коэффициенты передачи как комплексные

Зависимости модуля и фазы Ки от частоты есть соответ­

ственно амплитудно-частотные и фазочастотные харак­ теристики коэффициентов передачи. Наиболее важными показателями являются коэффициент усиления Ки и его

АЧХ и ФЧХ, которые количественно характеризуют ча­ стотные искажения амплитуды и фазы усиливаемого сиг-

14

нала на выходе каскада. Рабочий диапазон частот уси­ лителя задается нижней (/к) и верхней (fB) граничными частотами, на которых ордината относительной АЧХ

Щ П = \КЕ41\1\КЕ41\™аХ

уменьшается на некоторую заранее оговоренную величи­

ну, например, 3 дБ (М (/Н,в) = 1/1^2) (рис. 1.8). В этом случае в рабочем диапазоне частот коэффициент нерав­ номерности АЧХ не должен превышать 3 дБ:

Абсолютная полоса пропускания усилителя определяется разностью Л /= /в—/н, а отношение верхней и нижней граничных частот — коэффициентом перекрытия kA= f B/fn.

К фазочастотной характеристике может предъявлять­ ся требование линейной зависимости от частоты. Оценка степени отклонения ФЧХ от линейной производится по

же, как М, критериями линейных искажений и полосы

пропускания. Однако, как правило, для этого использу­ ется амплитудно-частотная характеристика, поскольку измерение фазовых сдвигов на частотах в сотни мегагерц связано со значительными трудностями.

Входные комплексные сопротивления со стороны ка­ ких-либо полюсов могут быть представлены через рабо­ чие коэффициенты передачи:

По отклонению ZBXi от Z* судят о степени согласования

(в вышеуказанном смысле) входов усилителя с трактом, к которому он подключен. Степень согласования оцени­ вается с помощью коэффициентов стоячей волны напря­ жения

15

— внешние коэффициенты отражения.

При идеальном согласовании КСВН =1. Обычно для УРУ максимально допустимый КСВН = 2. КСВН непо­ средственно связан с рабочим коэффициентом усиления. Поэтому, если не выполнены определенные требования к КСВН, то АЧХ усилителя при изменении эксплуата­ ционных условий (например, при изменении длины под­ водящего кабеля) может значительно измениться. При настройке усилителя по рабочему коэффициенту усиле­ ния необходимо контролировать КСВН со стороны вхо-' да и выхода.

Одним из важных технических показателей маломощ­ ных широкополосных усилителей является дифференци­ альный коэффициент шума Рш, показывающий, во сколь­ ко раз отношение активных мощностей сигнала Рс вых и

шума Рш вых на выходе усилителя меньше того же отно­ шения Рс вх и Рщвх на его согласованном входе, т. е. [17]

Поскольку активная мощность шумов на выходе источ­ ника сигнала

Рш и вых= Рmlmax | Кри | ,

а РШ4 представляет собой сумму активной мощности шу­

мов на выходе, создаваемых усилителем (Рщувых) и источником сигнала (Ршивых), то формула (1.7) может

Активные мощности шумов определяются в узкой полосе частот Д/ с центральной частотой /. Поэтому дифферен­ циальный коэффициент шума является функцией часто­

16

Жительным свойством УРУ является то, что составляю­ щая коэффициента шума, обусловленная источниками шума, сосредоточенными на выходных электродах УЭ, при отсутствии потерь в ПЛ обратно пропорциональна числу секций, т. е. уменьшается с увеличением числа уси­ лительных элементов. Дифференциальный коэффициент шума многокаскадного усилителя (рис. 1.9) определяется известным соотношением

f f I №

т= 1

где F (m) — коэффициент шума m-го каскада; 'Г|Др”), | —мо­

дуль рабочего коэффициента усиления мощности т-то каскада; N — число каскадов.

Если коэффициент усиления одного каскада имеет величину порядка нескольких единиц, вопрос о том, ка­ кой из каскадов необходимо включать первым (для по­ лучения наименьшего Еш каскадного соединения), реша­

При достаточно большом Кри мера шума практически равна Рш—1.

Для широкополосного усилителя, каким является УРУ, весьма существенными становятся нелинейные искажения, которые можно оценивать различными спо­ собами. Для усилителей, используемых в связной аппара­ туре, применяется способ оценки нелинейных искажений по мощности возникающих колебаний комбинационных частот при подаче на вход усилителя двух гармониче­ ских колебаний с одинаковыми амплитудами и разными частотами [18]:

«1,2 (0 — Um cos 2п/1)2/.

Нелинейные искажения определяются путем сопоставле­ ния мощности выходных колебаний с комбинационными

••• Л

(q, р= Ь, 1, 2, кроме q= 0, р = 1 и p=Q, q = i), где k {q fi± p f2) •— частный коэффициент комбинационных ис­

кажений.

При Рш^^РРвых(qfi — pfz) приведенная ко входу мощ­

ность комбинационной составляющей определяет чувст­ вительность усилителя к любому другому малому сигна­ лу с частотой f3= (qfi±pfz) ■ В этом смысле величина обратная k^qfi+pfz) является динамическим диапазоном

усилителя

Df измеряется как в линейных, так и в логарифмических

единицах.

1.3.МЕТОДЫ АНАЛИЗА МАЛОМОЩНЫХ УРУ

Усилитель с распределенным усилением является весьма сложной цепью с распределенными и сосредото­ ченными элементами, содержащей множество узлов и кон­ туров. Поэтому при его анализе методы, основанные на непосредственном применении законов Кирхгофа, ока­ зываются чрезвычайно громоздкими. Более того, нали­ чие произвольного числа секций в каскаде делает прак­ тически невозможным использование прямых методов. Косвенные методы анализа УРУ основаны на квазиволновом представлении процессов в усилителе, содержа­ щем две передающие линии. При этом естественно ис­ пользовать характеристические параметры входящих в них четырехполюсников и представить выходное на­ пряжение в виде совокупности падающих и отраженных волн во входной и выходной линиях. Исторически сло­ жились два метода, получившие названия метода авто­ номного четырехполюсника (9, 19, 20] и метода многопо­ люсника [22—28].

В основу метода автономного четырехполюсника поло­ жено допущение отсутствия электрической связи между линиями. При этом появляется возможность расчленить каскад на две передающие линии, одна из которых (входная) представляет собой цепное соединение неав­ тономных четырехполюсников, а выходная — цепное сое­ динение автономных четырехполюсников, содержащих независимые для выходной линии источники энергии. Эти источники являются эквивалентами усилительных элементов, входные и выходные импедансы которых учи-

18

тываются в параметрах четырехполюсников передающих линий.

На рис. 1.10 представлена схема каскада УРУ клас­ сической структуры при отсутствии проходной проводи­ мости УЭ. На ее примере можно показать последова­ тельность анализа каскада методом автономного четырехполюсника. Для этого сначала необходимо опреде­ лить напряжения Ugu на входах усилительных элемен-

Рис. 1.10. Схема каскада УРУ структуры у при отсутствии проход­ ной проводимости УЭ.

тов. Ugh выражаются через характеристические пара­

метры четырехполюсников, коэффициенты отражений от Zi,3, число секций и э. д. с., действующую на входе. На этом этапе используется теория неавтономного четырех­ полюсника. Далее анализируется выходная линия как цепочечное соединение автономных четырехполюсников, содержащих независимые для выходной линии источники тока sUgh- При этом может быть применен метод, осно­

ванный на преобразовании автономного четырехполюс­ ника в неавтономный [9], или метод, в основу которого положены характеристические параметры автономного четырехполюсника [19]. Находятся напряжения и токи в различных участках выходной линии при действии од­ ного источника. Применение принципа суперпозиции по­ зволяет найти суммарный эффект. В итоге определяют­ ся коэффициенты передачи УРУ, выраженные через ха­ рактеристические параметры фильтров, коэффициенты отражения и крутизны усилительных элементов.

Несмотря на то, что метод автономного четырехпо­ люсника разрабатывался для анализа каскада структу­

четырехполюсника позволяет весьма наглядно предста •