книги из ГПНТБ / Левичев В.Г. Радиопередающие и радиоприемные устройства [учеб. пособие]

Общий коэффициент усиления каскодного усилителя

Из этого уравнения видно, что усиление каскодного усилителя определяется крутизной первого триода и нагрузкой второго трио­ да. Обычно R32 бывает порядка единиц килоом, a Si порядка еди­ ниц миллиампер на вольт.

В практических схемах каскодных усилителей очень часто от­ сутствуют конденсаторы контуров. Тогда их роль выполняют соот­ ветствующие емкости схемы. Настройка таких контуров осуще­ ствляется изменением индуктивностей, имеющих сердечники.

Рис. 2.137. Схема каскодного усилителя с непо­ средственным соединением триодов

Встречаются различные способы питания ламп каскодных уси­ лителей и разные варианты схемных соединений. Вместо анодных резисторов могут быть включены высокочастотные дроссели. Па­ раллельно проходным емкостям ламп часто включают небольшие индуктивности для нейтрализации обратной связи. Усилитель мо­ жет иметь дополнительные цепи развязки.

Вособую группу следует выделять каскодные усилители с не­ посредственным соединением триодов. Одна из таких схем изобра­ жена на рис. 2.137.

Вэтом усилителе анод первой лампы имеет непосредственное соединение с катодом второй лампы. Следовательно, лампы вклю­ чены последовательно по постоянному и переменному току. Общей

нагрузкой ламп служит контур L„CK , Он настроен на частоту по­ лезного сигнала. Поэтому усилитель является резонансным. Анод­ ный резистор R& шунтирует контур, расширяя его полосу пропу­

скания. Вместо анодного резистора иногда включают дрос-

370

сель высокой частоты. Тогда усилитель имеет более узкую полосу пропускания.

Сетка лампы Л2 имеет положительный потенциал относительно земли, но она отрицательна по отношению к катоду. По перемен­ ному напряжению сетка заземлена при помощи конденсатора Cg. Таким образом, первый триод имеет заземленный катод, а вто­ рой— заземленную сетку. Очень.наглядно это видно на эквивалент­ ной схеме усилителя (рис. 2.138).

Рис. 2.138. Эквивалентная схема каскодного уси­ лителя с непосредственным соединением триодов

Рассматриваемую схему избегают называть двухкаскадным уси­ лителем, хотя в принципе это возможно. Для этого следует пола­ гать, что анодной нагрузкой первой лампы служит входное сопро­ тивление второй лампы.

Если усилительная лампа работает в линейном динамическом

Применительно к лампе Л\ это уравнение записывается так:

ПОСКОЛЬКУ трИОДЫ ВКЛЮЧеНЫ Последовательно, ТО 7?nal = Ana2 = /ma.

Приравнивая уравнения (2.236) и (2.237), имеем:

371

Поэтому

и .

т вых

Рис. 2.139. Эквивалентная схема каскодного усилителя с непосредственным соединением триодов

Но из уравнения (2.236) имеем:

На основании этого уравнения получается эквивалентная схема каскодного усилителя (рис. 2.139).

Из эквивалентной схемы легко получается уравнение для коэф­ фициента усиления каскодного усилителя с непосредственным со­

372

Любой каскодный усилитель обладает значительным усилением, большим входным и выходным сопротивлениями, имеет малые шумы и работает устойчиво.

Усилитель, изображенный на рис. 2.137, можно рассматривать как однокаскадный усилитель, выполненный на лампе с парамет­

лое входное и выходное сопротивления. Поэтому в резонансных УВЧ на таких транзисторах приходится применять неполное вклю­ чение контура в цепь коллектора и в цепь базы. Связь контура с транзистором может быть трансформаторной, автотрансформатор­ ной или емкостной.

По способу включения транзисторов УВЧ бывают: с общим эмиттером, с общей базой и каскодные. Для повышения стабиль­ ности параметров УВЧ в их схемах часто применяют элементы температурной стабилизации режима, а иногда и элементы нейтра­ лизации внутренней обратной связи *.

На рис. 2.140 приведены некоторые варианты схем УВЧ. Из них видно, что транзисторные усилители принципиально не отличаются от ламповых. Резисторы, показанные на схемах, обеспечивают не­ обходимый режим транзистора. Его стабилизация осуществляется за счет отрицательной обратной связи по постоянному току эмит­ тера (см. § 6). Входное напряжение управляет потоком инжекти­ руемых носителей. Поэтому ток коллектора пульсирует. Перемен­ ная составляющая коллекторного тока создает на контуре пере­ менное напряжение. Часть контурного напряжения является вы­ ходным. Данные напряжения максимальны на резонансной ча­ стоте.

В схеме, изображенной на рис. 2.140, а, применено двойное автотрансформаторное включение контура. Схема питания после­ довательная. Выходное напряжение снимается с индуктивности Ь2.

Коэффициент включения контура в цепь коллектора (коэффи­ циент трансформации)

373

Коэффициент включения контура в цепь базы следующего тран­ зистора

Рис. 2.140. Варианты схем транзисторных УВЧ

На рис. 2.140,6 показан вариант схемы с автотрансформатор­ ным включением контура в цепь коллектора и трансформаторным выходом. Коэффициенты включения в этой схеме таковы:

цМ

В схеме, изображенной на рис. 2.140,9, используется трансфор­ маторное включение контура в цепь коллектора и автотрансфор-

374

маторное включение в цепь базы следующего транзистора. В этой схеме

Если в усилителе используются транзисторы, у которых гранич­ ная частота значительно выше частоты полезного сигнала, то с до­ статочной степенью точности коэффициент усиления по напряже­ нию определяется по формуле

печивает температурную стабилизацию исходного режима за счет отрицательной обратной связи по постоянному току эмиттера тран­ зистора Т\. Нагрузкой транзисторов служит контур LK CK . Он вклю­ чен полностью ввиду значительного сопротивления выходной цепи транзисторов. Коллекторный резистор RK шунтирует контур. Вы­ ход усилителя автотрансформаторный.

10. Высокочастотные усилители на ЛБ В

В связи с развитием радиолокационной и особенно телеметри­ ческой импульсной радиосвязи возникла необходимость примене­ ния в радиоприемных устройствах усилителей высокой частоты с очень широкой полосой пропускания, малыми шумами и боль­ шим усилением,

375

Требовалось получить полосу пропускания высокочастотных усилителей порядка десятков процентов от несущей частоты при­ нимаемых колебаний. В процессе решения данной проблемы были созданы новые электронные приборы, получившие название ламп берущей волны (ЛБВ). Они получили наибольшее применение в диапазоне сантиметровых волн.

В усилителях на ЛБВ обычно нет колебательной системы. Уси­ ление колебаний происходит за счет длительного взаимодействия узкого электронного луча с электромагнитным полем бегущей вол­ ны усиливаемого сигнала.

Конструкция и принцип действия усилителя на ЛБВ рассмотре­ ны в предыдущей главе. Остается только добавить, что усилители на ЛБВ обладают коэффициентом шума примерно 4—8 дб при коэффициенте усиления по мощности до 50 дб.

Широкополосность усилителей бегущей волны позволяет исполь­ зовать их в радиоприемных устройствах для усиления наносекундных радиоимпульсов, т. е. импульсов, длительность которых изме­ ряется тысячными долями микросекунды.

11. Параметрические и молекулярные усилители

Лучшие радиолокационные приемники с ламповыми усилите­ лями высокой частоты имеют коэффициент шума порядка 4—5 дб. В таких усилителях внутренние шумы складываются из тепловых флюктуации электронов в различных проводниках (сопротивле­ ниях) и флюктуации электронного потока ламп.

Тепловые шумы уоилителя можно значительно уменьшить ох­ лаждением его до очень низкой температуры. Однако при этом ламповые шумы не уменьшаются. Поэтому возникла задача созда­ ния высокочастотных усилителей без электронного потока. Она была успешно решена. Новые безламповые усилители получили название параметрических и молекулярных.

В радиолокационных приемниках большее применение получили

параметрические усилители (ПУ).

Принцип действия ПУ основан на периодическом изменении внешней силой реактивного параметра колебательной системы, в которую вводится энергия усиливаемого сигнала.

быть с сосредоточенными или с распределенными параметрами в зависимости от диапазона усиливаемых колебаний. В сантиметро­ вом диапазоне применяют объемные резонаторы и отрезки волно­ водов. В дециметровом диапазоне широко используются коаксиаль­ ные резонаторы. В современных резонаторных ПУ в качестве пере­ менного (управляемого) параметра колебательной системы чаще используется емкость.

376

Для упрощения дальнейших рассуждений будем временно счи­ тать, что в ПУ применен одиночный контур с сосредоточенными параметрами. Тогда вся емкость колебательной системы оказывает­ ся заключенной в конденсаторе, а индуктивность в катушке. Такие контуры применяются в ПУ метрового диапазона волн.

Известно, что напряжение на заряженном конденсаторе

Из этой формулы хорошо видна идея параметрического усиле­ ния. Она заключается в следующем. Если при неизменной величи­ не накопленного в конденсаторе заряда q осуществить уменьшение его емкости С, то произойдет возрастание напряжения Uc-

Но емкость конденсатора

где е — диэлектрическая проницаемость диэлектрика;

сeS

Следовательно, при неизменной величине заряда q напряжение на конденсаторе пропорционально расстоянию между его пласти­ нами. Если увеличить d, то произойдет увеличение Uc. Физически это объясняется тем, что между пластинами действует оила взаим­ ного притяжения. Поэтому на увеличение расстояния d придется затрачивать определенную механическую энергию. Она будет рас­ ходоваться на увеличение потенциальной энергии электрического поля конденсатора. В результате преобразования механической энергии в электрическую и произойдет увеличение напряжения Uc.

Совершенно очевидно, что приращение напряжения на конден­ саторе пропорционально приращению d, т. е.

AU =J-.Ad.

Поэтому с учетом предыдущего уравнения получим

Шс Ы_

Uc— d •

т. е. относительное приращение напряжения на заряженном конден­ саторе равно относительному приращению расстояния между его пластинами.

В реальной схеме ПУ в качестве конденсатора контура исполь­ зуют запертый электронно-дырочный переход полупроводникового

377

диода. Объясняется это тем, что емкость п—/j-перехода легко изме­ нять электрическим способом при помощи вспомогательного высо­ кочастотного генератора. Его принято называть генератором на­ качки.

'вы*

"вых

Г

Ггнератор на ка чки

Рис. 2.141. Схема параметрического усилителя с из­ меняющемся емкостью контура

" , Г

Рис. 2.142. Принцип усиления синусоидального сигнала в параметрическом усилителе

Простейшая схема ПУ с таким генератором приведена на рис. 2.141. Графики, поясняющие принцип работы этой схемы, изо­ бражены на рис. 2.142.

3 7 8

Предположим сначала, что генератор накачки выключен и ем­ кость контура неизменна. Расстояние между пластинами конден­ сатора равно d\. Тогда в контуре существуют вынужденные коле­ бания с неизменной амплитудой (например, радиоимпульсы). На­ пряжение на контуре синусоидально. За счет резонансных свойств контура и способа его включения к входным и выходным зажи­ мам усилителя выходное напряжение несколько больше входного. Но мощность на выходеусилителя меньше, чем на входе.

Предположим теперь, что генератор накачки включен и резко изменяет расстояние d между пластинами конденсатора. В мо­

тора накачки передается электрическому полю конденсатора и напряжение ис резко возрастает. Когда же напряжение ис оказы­ вается равным нулю и вся энергия сигнала находится в магнит­ ном поле катушки индуктивности L (моменты t2, U 16 и т. д.), рас­ стояние между пластинами конденсатора опять становится рав­ ным d\. Поскольку при этом электрического поля в конденсаторе нет, энергия генератора накачки на сближение пластин не расхо­ дуется.

Периодическое изменение емкости конденсатора по указанному закону приводит к быстрому нарастанию амплитуды колебаний в контуре. Происходит это до тех пор, пока энергия, расходуемая генератором накачки, не станет равной энергии, выделяемой в кон­ туре на его активном сопротивлении. С этого момента времени процесс нарастания амплитуды колебаний прекращается, а форма напряжения ыс становится практически синусоидальной.

Рассмотренный процесс представляет собой только теоретиче­ ское рассуждение о принципе работы параметрического усили­ теля с резко изменяющимся расстоянием между пластинами кон­ денсатора контура.

В действительности изменение емкости контура происходит не скачками, а плавно. Поэтому форма нарастающего напряжения ис с самого начала процесса синусоидальна. Для этого реального случая работы ПУ графики, поясняющие процесс усиления, изо­ бражены на рис. 2.143. Из них видно, что для осуществления про­ цесса усиления в ПУ необходимо выполнить два условия: изме­ нение емкости контура должно происходить с удвоенной частотой сигнала; величина емкости должна становиться минимальной в моменты максимального напряжения на конденсаторе и макси­ мальной в те моменты, когда оно равно нулю. Первое условие на­ зывается частотным, а второе фазовым.

ливаемый сигнал. Это обстоятельство служит причиной недостат­ ка простейшей схемы. Он заключается в том, что тепловые шумы сопротивления нагрузки попадают в контур усилителя, там уси­ ливаются и снова поступают в нагрузку. Для устранения этого

379