книги из ГПНТБ / Шапиро Д.Н. Основы теории и расчета усилителей высокой частоты на транзисторах

Под фильтрами сосредоточенной избирательности принято понимать фильтры, построенные из обычных конденсаторов и ка­ тушек. Однако относительно внешней схемы эти фильтры как четырёхполюсники в основном качественно подобны кварцевым и электромеханическим фильтрам, что позволяет трактовать термин ФСИ несколько шире, распространяя его также и на по­ следние два типа фильтров.

обходимо обеспечить согласование.

Обратимся к рис. 3.12, на котором представлена блок-схема одноступенного усилителя с ФСИ на входе и одиночным конту-

Ф СИ У П

Рис. 3.12. Блок-схема усилителя с ФСИ на входе

ром на выходе. Допустим, что равенство gz =go2 обеспечивается, а чтобы обеспечить согласование со стороны выходных зажимов ФСИ, в схему включена дополнительная шунтирующая прово­ димость gM1 так, что

Допустим далее, что специальные элементы ЬД2 и’Ьд> обеспе­

чивают подстройку входной и выходной цепей фильтра, а коэф­ фициент передачи по мощности фильтра равен

181

Найдём рабочее усиление мощности рассматриваемого уси­ лителя. Ясно, что

(Использование (2.14) и (2.21) предполагает, что для выходной цепи ФСИ справедливо первое (3.23), а связь усилительного прибора с контуром такова, что D > DMUft.)

Из последнего выражения следует, что принципиально, что­ бы увеличить К ус целесообразно увеличивать Л2, т. е. умень­

шать А\. Последнее по (3.166) ведёт к уменьшению g m , что озна­

чает, что ФСИ должен быть построен так, чтобы goi=&ib Одна­ ко ясно также, что при А2 > 1 дальнейший рост А 2 практически мало ощутим, т. е. в широком интервале значений А х, а следо­ вательно, и gm , величина рабочего усиления мощности практи­

чески не меняется, т. е. что ФСИ может иметь goi > gn, и согла­ сование обеспечивается при помощи gai ф 0 , как было указано

ранее.

182

Сделанный выше вывод очень важен для практики. Дейст­ вительно, выбирая gд, большим по сравнению с gn, мы дости­

гаем того, что отклонение gn от номинального значения меньше влияет на работу ФСИ. Более того, мы уменьшаем влияние Ь\\. если

т. е. с учётом (3.166), если

то нагрузка ФСИ практически чисто активна даже без допол­ нительного органа подстройки Ьд\.

Из (3.161) и (3.166) следует

с большой характеристической проводимостью goi-

Рассмотрим теперь усилитель с ФСИ на выходе (рис. 3.13). Для этого усилителя

О

*вых. уп

где Рвх.Ф—.мощность, развиваемая на входных зажимах филь­ тра;

Р вы х .у п — мощность, снимаемая с выхода усилительного прибора:

Так как:

183

Таким образом, приходим к следующим выводам, совершен­ но аналогичным тем, которые были сделаны выше по отношению к схеме рис. 3.12. Принципиально с ростом Л. величина ус

растёт. Практически при А\ 1 эта велична не изменяется в ши­ роких пределах изменения А и А 2, а следовательно, и £ Д2. Выбор

Л2 > 1 , чему соответствует £Д2> §22, позволяет уменьшить влия­

ние отклонения ^22 от номинального значения на работу филь­ тра, но требует фильтра с относительно большой характеристи­ ческой проводимостью go2■Если

то нагрузку ФСИ со стороны его входных зажимов можно счи­ тать практически чисто активной даже при отсутствии bдг

Рассмотрим, наконец, случай, когда фильтр сосредоточенной избирательности включён в одну из промежуточных ступеней многоступенного усилителя (рис. 3.14). Так как условия на-

Рис. 3.14. ФСИ, включённый в одну из промежуточных ступеней усилителя

стройки и согласования должны быть выполнены с обеих сторон фильтра, то фильтр как бы делит весь усилитель на две неза­ висимые друг от друга части, для первой из которых он являет­ ся выходным, а для второй — входным. Поэтому все соображе-

184

ния по выбору А\ и А2, изложенные выше для усилителей рис. 3.12 и 3.13, остаются в силе.

Для коэффициента усиления по мощности, обеспечиваемого ступенью с ФСИ, можно написать

Обратимся к ограничениям полосы пропускания. Из изложен­ ных выше соображений не вытекает никаких ограничений для ширины полосы пропускания самого ФСИ, однако полоса про­ пускания всего усилителя явно ограничивается. Действительно, если в схеме рис. 3.12 предположить проводимость генератора чисто активной, то в ней, кроме ФСИ, останутся всё же ещё два избирательных элемента — колебательный контур, образован­ ный Ь\\ и ЬД1, и выходной колебательный контур. Полагая, в пер­

вом приближении, что выходная проводимость ФСИ в широком диапазоне частот чисто активна, постоянна и равна goi, и имея в виду (3.165) и (2.75), можно написать для относительной по­ лосы пропускания контура на входе усилительного прибора

Для выходного контура при условии, что связь с нагрузкой ничем не ограничена, приняв р2 = 1 , можно написать по анало­ гии с (3.184)

tg ?22 (1 + ^2з) |

где Л2з имеет то же значение, что в пар. 3.2.

Общая полоса пропускания усилителя будет ограничена в наименьшей степени, если выбрать А\ и А2 так, чтобы 6Fi = 8F2. С учётом (2.1) это приводит к

185

При этом общая относительная полоса пропускания входной и выходной цепей усилителя, исключая ФСИ, становится равной

и конденсаторов, образующих звенья типа IIIi (или ПП), т. е. иными словами, если ФСИ представляет собой цепочку связан­ ных колебательных контуров, то внешние дополнительные эле­ менты gai, ЬД1 и gav ЬЦ2 не обязательны, так как подстроить

входную и выходную цепи ФСИ можно с помощью органов, предусмотренных для этой цели в крайних контурах. Согласо­ вать фильтр с генератором и нагрузкой можно, выбрав надле­ жащую связь выходной и входной цепей усилительных прибо­ ров с указанными контурами и добротности этих контуров.

Чтобы установить количественные соотношения, обратимся к рис. 3.15, на котором представлены однозвенные фильтры типа Ш 4 и IIIi, нагруженные с обеих сторон постоянными активными

Рис. 3.15. Нагруженные однозвенные фильтры типа НЦ (а) и типа IIIi (б)

сопротивлениями R0. При расчёте таких фильтров руководству­ ются (3.190) и (3.191) [Л27]:

hh

186

В этих выражениях /i и f2 — нижняя и верхняя частоты среза соответствующих идеальных и идеально согласованных филь­

тров.

Однако оба фильтра можно рассматривать как пары взаим­ но-связанных колебательных контуров и найти собственные ча­ стоты этих контуров

187

одно и то же выражение

Полоса пропускания реального многозвенного ФСИ, отсчи­ танная на уровне 0,707, — AF не совпадает с /г—/ь так что мож­ но написать

где величину а можно рассчитать, исходя из числа звеньев и осу­ ществимой добротности контуров [Л28]. Практически,, однако, во многих случаях проще задаваться этой величиной из опытных данных с последующим введением соответствующей коррек­ ции [Л27].

Примем за частоту настройки многозвенного фильтра

Исходя из заданных /о и AF, приняв некоторое значение о, можно из (3.197) и (3.198) найти /) и /г, после чего из (3.194), (3.195) и (3.196) найти /0ь SEe и 8 пары контуров, образующих одно звено фильтра. Далее можно методом, изложенным в пар. 3.3,. выбрать параметры элементов этих контуров и связи их с усили­ тельными приборами; при этом мы, естественно, столкнёмся с уже известными ограничениями в ширине полосы пропускания. Наконец, вновь рассматривая рассчитанные два контура как звено фильтра, разобъём это звено на два полузвена и, сделав эти полузвенья крайними, введём между ними необходимое до­ полнительное число полузвеньев (звеньев). Таким образом мо­ жем получить требуемый многозвенный ФСИ. При этом, если мы хотим составить фильтр из звеньев того и другого типа, то нужно, чтобы параметры элементов контуров, входящих в эти звенья, были в соотношениях, вытекающих из (3.190) и (3.191). Естественно, что добротность элементов всех промежуточных полузвеньев (звеньев) фильтра, в отличие от добротности двух крайних его контуров, должна быть возможно большей.

Все расчёты можно существенно упростить следующим обра­ зом.

Обозначим

(3.199)

Д

188

Тогда из (3.197) и (3.198) можно получить

&F

2 + ° т

( 3 . 2 0 0 )

Найдя х из (3.200), нетрудно, исходя из (3.198) и (3.199), выразить f\ и через / 0 и х, после чего, обратившись к (3.194), (3.195) и (3.196), получить:

Можно выбрать характеристические сопротивления крайних контуров неодинаковыми, на что было указано в пар. 3.3. Это не­ сколько усложнит выбор параметров промежуточных звеньев фильтра. Однако этот вопрос и вопрос о совмещении отдельных элементов промежуточных звеньев, как сугубо специальные и к тому же подробно освещённые в литературе [Л27, 29], мы рас­ сматривать не будем.

189

3.5.Апериодические усилители на сопротивлениях

ина трансформаторах

Во многих случаях целесообразно сосредоточивать избира­ тельность в одной или двух ступенях усилителя (посредством фильтров сосредоточенной избирательности), обеспечивая необ­ ходимое усиление соответствующим количеством дополнитель­ ных слабо избирательных или апериодических ступеней. Эти до­ полнительные ступени могут быть построены по схеме резонанс­ ного усилителя (например, рис. 4.8), усилителя на сопротивле­ ниях (рис. 3.16) или на трансформаторах (рис. 3.17). Ни одна

из этих трёх схем не имеет оснований считаться абсолютно луч­ шей. Выбор зависит от конкретных условий, и чтобы правильно сделать его, необходимо знать достоинства и недостатки всех трёх схем. Резонансный усилитель был достаточно подробно изучен во второй и в начале третьей главы, поэтому обратимся теперь к апериодическим усилителям.

Рассмотрим одну из бесконечной цепочки одинаковых ступе­ ней усилителя на сопротивлениях (рис. 3.16). Полагая, что со­ противление параллельного разветвления R K, Ra и R B во много

раз больше входного сопротивления триода (в правильно спроек­ тированном усилителе это условие должно выполняться), можем написать для коэффициента усиления по мощности ступени

(3.205)

ех. уп

где Yex. уП— входное сопротивление триода, определяемое (1.62).

190