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

щей входного иммитанса1), не коснувшись поставленных выше вопросов, которые остаются открытыми до настоящего времени. Вероятно они не привлекли к себе серьёзного внимания исследо­ вателей, так как расхождение между (1.5) и (1.2) не столь вели­

поэтому результаты, полученные А. А. Колосовым, были воспри­ няты как подтверждение результатов работ В. И. Сифорова и правильности созданной им теории.

Как В. И. Сифоров, так и А. А. Колосов исследовали только резонансные усилители. Однако полученные ими выражения для

“Коуст (Ко) используются на практике и при расчёте усилителей других типов.

А. М. Шендерович [Лб] сделал попытку применить метол В. И. Сифорова для анализа полосового усилителя с парами Езаимно-связанных контуров. Ссылаясь на В. И. Сифорова, он пишет, «что условие устойчивости любого резонансного усилителя определяется соотношением

где R ск — резонансное сопротивление входного контура первой ступени, пересчитанное к управляющей сетке этой сту­ пени,

Gi — максимальная по модулю входная проводимость первой лампы усилителя

RaK— резонансное сопротивление анодного контура первой ступени, пересчитанное к аноду первой лампы,»

Сса— ёмкость сетка — анод.

Нетрудно, однако, увидеть, что выражение (1.6) не совпадает

•с (1.1), так что ссылка на В. И. Сифорова здесь лишена основа­ ния. Не совпадает (1.6) и с (1.3). Таким образом, А. М. Шенде­ рович вводит в рассмотрение новое определение коэффициента устойчивости. В определении величины G, он допускает неточ­ ность: G] согласно (1.7) является не «максимальной по модулю входной проводимостью первой лампы», а максимальней! по мо­ дулю (здесь лучше было бы сказать «по абсолютной величине») отрицательной активной составляющей этой проводимости.

') Иммитанс — обобщённый термин, употребляемый для обозначения со­ противлений-и проводимостей активных, реактивных и комплексных).

10

Л

Для максимального устойчивого коэффициента усиления од­ ной ступени n-ступенного усилителя А. М. Шендерович получает:

( 1. 8)

при п > 2,

где г) — параметр связи между контурами.

На основании (1.8) он приходит к выводу, что «формулы, применяемые для расчётов устойчивости одноконтурных усили­ телей, пригодны для двухконтурных усилителей только при кри­ тической связи между контурами. При использовании одной и той же лампы от двухконтурного усилителя при связи больше критической можно получить значительно большее устойчивое усиление, чем от одноконтурного (при допустимом искажении резонансной кривой —ц т^)... в четырёхступенном усилите­ ле возможен выигрыш в 1,4 раза, в лвухступенном— в 1,8 раза,

... в одноступенном усилителе — в 3,5 раза». Иначе говоря, выи­ грыш на весь усилитель составляет 3-4-4 раза. Этот вывод инте­ ресен. хотя в связи со сказанным относительно (1.6) и (1.7) он

А. А. Колосов, не даёт.

Появление транзисторов вызвало новый интерес к вопросам устойчивости усилителей высокой частоты. Оказалось, что тео­ рия устойчивости и соответствующая методика расчёта лампо­ вых усилителей непосредственно не применимы к усилителям на транзисторах из-за их большой входной проводимости и комплексного характера параметров прямого и обратного дей­ ствия (У21 и Yi2). Здесь уместно вспомнить, что поведение элек­ тронных ламп в диапазоне свч в этом отношении аналогично поведению полупроводниковых триодов в диапазоне более низ­ ких частот и что поэтому существующая теория устойчивости ламповых усилителей относится к сравнительно низким радио­ частотам. А. А. Колосов был прав, указывая на этот недостаток работы В. И. Сифорова [ЛЗ стр. 348]. К сожалению, сам он в этой части внёс в теорию мало нового, так как всюду полагает крутизну 5 чисто вещественной и, хотя в исходных выражениях обозначает проводимость обратного действия через Уса , подчёр-

11

кивая этим комплексный характер этой величины в общем слу­ чае, но переходя к выводу расчётных формул, принимает Yса = = 1шСсо[ЛЗ, стр. 351].

Возникла необходимость в обобщении существующей теории устойчивости и распространении её на случай усилительных приборов с произвольными комплексными параметрами. В пе­ чати появился ряд работ по этому вопросу отечественных и за­ рубежных специалистов.

С. Е. Фалькович [Л7] исследует резонансный усилитель, сле­ дуя в общем А. А. Колосову, и принимает для коэффициента

Втех ограниченных пределах, в которых схема рис. 1.2 до­ статочно точно описывает поведение транзистора, выражение (1.10), полученное из (1.9), очевидно справедливо. Однако оно очень сложно.

Вконце своей работы С. Е. Фалькович анализирует выбор коэффициентов включения контуров во входные и выходные це-

12

пи триодов и приходит к выводу, что при данной степени обще­ го демпфирующего действия обоих транзисторов на контур, эти коэффициенты должны быть выбраны так, чтобы демпфирую­ щие действия со стороны выхода предыдущего и входа после­ дующего транзистора были одинаковы. Этот анализ противо-

С,г

Рис. 1.2. Эквивалентная схема транзистора, используемая С. Е. Фальковичем

занных коэффициентов включения; Фалькович же не обеспечил неизменности m в этой части своего анализа, что вряд ли пра­ вильно.

Для ту С. Е. Фалькович предлагает принимать те же значе­ ния 0,8-э0,9, что и в ламповой технике, и опять без обоснований.

А. А. Куликовский |Л8, стр. 259] принимает для коэффициен­ та устойчивости резонансного усилителя (в случае представления триода П-образной эквивалентной схемой)

транзистора без учёта (с учётом) обратной связи.

.Несмотря на внешнее различие, (1.11) по существу совпа­ дает с (1.1), если только понимать под Яэ резонансное'сопро­ тивление входного контура с учётом шунтирующего действия, оказываемого на него входной цепью триода при отсутствии об­ ратной связи. Однако А. А. Куликовский рекомендует принимать ,/Су =0,7-т-0,8, тоже не приводя никаких тому обоснований.

Воспользовавшись эквивалентной гибридной П-образной схе­ мой триода (рис. 1.3), А. А. Куликовский приближённо пола­ гает, что Gex ос имеет наименьшее значение на левой границе

13

полосы пропускания выходного контура, тем самым пренебрегая комплексным характером У21 и У12. Сопротивление источника сигнала ги он считает чисто активным, что тоже является до­ вольно грубым приближением. В результате он приходит к усло­ вию устойчивости как удалённости от самовозбуждения в виде

рис. 1.3 и указанных выше допущений, сделанных при анализе* практическая ценность выражения (1.12) невелика. Кроме того, в отличие от С. Е. Фальковича, А. А. Куликовский не даёт вы­ ражения для устойчивого коэффициента усиления и не анализи­ рует выбор связей транзистора с входным и выходным контура­ ми. Никак не была развита и мысль С. Е. Фальковича о необхо­ димости ограничения не только положительных, но и отрица­ тельных обратных связей.

Рис. 1.3. Гибридная П-образная эквивалентная схема тран­ зистора, используемая А .А. Куликовским

Е. Ф. Воробьёва [Л9] ставит себе целью «получение условия отсутствия самовозбуждения усилителя и выражения для рас­ стройки, при которой отрицательная активная входная проводи­ мость (транзистора) достигает максимального значения, в более наглядном и пригодном для инженерной практики виде», чем то было сделано С. Е. Фальковшем и А. А. Куликовским. Она оп­ ределяет коэффициент устойчивости резонансного усилителя как

ного контура, пересчитанной ко входу транзистора; пвх — вели-

14

чина, обратная коэффициенту включения входного контура во входную цепь транзистора; Ggx мин — минимальное значение ак­

тивной составляющей входной проводимости транзистора.

Очевидно, что (1.13) не совпадает ни с одним из определений, коэффициента устойчивости, приведённых ранее, хотя автор и рекомендует для своего К у прежнюю норму 0,8-^0,9.

Представив транзистор в виде четырёхполюсника, характе­ ризуемого У-параметрами, Е. Ф. Воробьёва приходит к условию устойчивости одноступенного резонансного усилителя (в смысле отсутствия самовозбуждения) в виде

лентное сопротивление входного и выходного контуров при ре­ зонансе; пвыг — величина, обратная коэффициенту включения вы­ ходного контура в выходную цепь транзистора.

Из-за использования У-параметров выражение (1.14) более

А. А. Куликовский, не даёт выражения для устойчивого коэф­ фициента усиления и не анализирует связей (т. е. выбора вели­ чин пвх и пвыХ).

Ю. Л. Симонов анализирует устойчивость резонансных уси­ лителей на транзисторах, следуя один раз А. А. Колосову и оп­ ределяя коэффициент устойчивости как KqIK'o [ЛЮ], а другой раз — В. И. Сифорову и определяя коэффициент устойчивости как R 3/R's с учётом шунтирующего действия транзистора. В обоих случаях он получает для резонансного коэффициента уси­ ления одной ступени я-ступенного резонансного усилителя оди­

15

параметры транзистора, связанные с нормальными К-параметра- ми следующим образом:

пришли к выводу, что активный неавтономный линейный четы­ рёхполюсник, параметры которого удовлетворяют условию

абсолютно устойчив в том смысле, что никакая комбинация на­ грузок, подключённых к нему со стороны входных и выходных зажимов, не может привести к самовозбуждению при отсут­ ствии внешней обратной связи. Исходя из этого, А. П. Стерн :[Л 14] ввёл в рассмотрение коэффициент устойчивости усилитель­ ной ступени, определённый как

где gs и g H— активные составляющие проводимости генерато­ ра и нагрузки, которые «видит» перед собой активный четырёх­ полюсник — усилительный прибор. Определённый таким обра­ зом коэффициент устойчивости оказывается равным единице на границе самовозбуждения и беспредельно растёт при удалении от этой границы в область отсутствия самовозбуждения.

А. П. Стерн показал далее, что наибольший коэффициент уси­ ления по мощности, обеспечиваемый усилительным прибором в одноступенном усилителе при данном коэффициенте устойчиво­ сти, определяется как

W 0,5Ky [\Yn Yn \ + Re(Y12Y21)l - V g ^ I2,

•k'o

(1.18)

где Do — минимальное значение, которое принимает величина

= ёгг + gH<Ьг, bH— реактивные составляющие проводимости гене-

16

ратора и нагрузки; gH— активна? составляющая проводимости нагрузки.

Вряд ли определение коэффициента устойчивости, данное А. П. Стерном, обладает какими-либо преимуществами по срав­ нению с определением, данным В. И. Сифоровым и уточнённым применительно к полупроводниковому усилителю А. А. Куликов­ ским и Ю. Л. Симоновым, тем более, что А. П. Стерн не даёт рекомендаций по нормам для своего Ку. Тем не менее В. И. Му­ ромцев [Л 15], анализируя вопрос о необходимой точности ней­ трализации в усилителе на транзисторе с нейтрализованной об­ ратной связью, пользуется коэффициентом устойчивости по Стер­ ну. Поменяв местами числитель и знаменатель, он пишет

называя эту величину коэффициентом потенциальной неустой­ чивости.

Данный выше краткий обзор наиболее интересных, на наш взгляд, работ по теории устойчивости усилителей высокой часто­ ты и расчёту усилителей высокой частоты на транзисторах, ис­ ходя из заданного коэффициента устойчивости, позволяет сде­ лать следующие выводы.

1.В настоящее время не существует определения коэффи­ циента устойчивости усилителя высокой частоты в общем слу­ чае, т. е. годного для усилителей любого типа, использующих усилительные приборы с произвольными комплексными мало­ сигнальными параметрами. Такое определение необходимо дать, причём желательно сохранить преемственность с коэффициентом устойчивости по В. И. Сифорову, широко используемым в тех­ нике ламповых усилителей.

2.Большинство исследователей склонны смотреть на вводи­ мые ими коэффициенты устойчивости лишь как на меру удалён­ ности от самовозбуждения, не учитывая, что при комплексном характере малосигнальных параметров усилительного прибора усилитель может оказаться неустойчивым (в смысле сильного из­

менения его характеристик при случайном Изменении парамет­ ров усилительных приборов и других элементов схемы) даже будучи весьма далёк от самовозбуждения. Давая новое опреде­ ление коэффициента устойчивости, следует избежать этой ошиб­ ки.

3.До настоящего времени никто не обосновал и даже не дал методики обоснования норм допустимого коэффициента устой­ чивости. В связи с введением нового определения коэффициента устойчивости необходимо заполнить и этот пробел.

4.До сих пор ещё не создана достаточно простая и полная методика инженерного расчёта усилителей высокой частоты на

транзисторах с заданным коэффициентом устойчивости; расчёт­ ные формулы, предлагаемые различными авторами, слишком сложны и не исчерпывают всех вопросов, возникающих при реальном проектировании. Такую методику необходимо создать.

1.2. Выбор метода анализа и эквивалентной схемы усилительного прибора

Учитывая сказанное в п. 1.1, начнём анализ, понимая под устойчивостью в первую очередь удалённость усилителя от са­ мовозбуждения. К более широкому пониманию устойчивости подойдём несколько позже.

Аналитическое решение вопроса об устойчивости усилителя всегда базируется на исследовании его упрощённой схемы. При составлении этой схемы пренебрегаем большинством или даже всеми паразитными параметрами и заменяем усилительные при­ боры (лампы, транзисторы и др.) их эквивалентными схемами, состоящими из линейных элементов. Пренебрежение паразит­ ными параметрами ограничивает суждение об устойчивости диапазона частот, где эти параметры не играют существенной роли, оставляя невыясненной возможность самовозбуждения на более высоких (паразитных) частотах. Такое самовозбуждение выявляют, как правило, экспериментально. Замена усилитель­ ных приборов эквивалентными схемами с линейными элемента­ ми не позволяет судить о так называемой устойчивости в боль­ шом (т. е. устойчивости усилителя при большом сигнале или кратковременной сильной помехе), что также требует последую­ щей экспериментальной проверки и в редких случаях доработки.

Кроме того, возникает вопрос, какую из возможных эквива­ лентных схем усилительного прибора следует предпочесть. Эта проблема требует специального рассмотрения, так как с нею свя­ зан выбор метода анализа. Чтобы избежать недоразумений, здесь необходимо уточнить некоторые терминологические вопро­ сы. Мы понимаем под эквивалентной схемой усилительного при­ бора любую схему, состоящую из линейных элементов и неавто­ номных генераторов, поведение которой как четырёхполюсника со стороны её внешних зажимов неотличимо от поведения дан­ ного усилительного прибора в режиме слабых сигналов. Под фи­ зической эквивалентной схемой понимаем эквивалентную схему,

каждый из элементов которой имеет видимую связь с конструк­ цией усилительного прибора и с каким-либо из физических про­ цессов, протекающих в нём; на базе этой связи данный элемент в принципе может быть количественно определён. Наконец, под

формальной эквивалентной схемой понимаем эквивалентную схему, построенную из чисто формальных соображений соответ­ ствия её системе из двух линейных уравнений, описывающих по­

18

ведение усилительного прибора в режиме слабых сигналов на данной частоте как неавтономного активного линейного четы­ рёхполюсника. Элементы этой схемы количественно определяют­

физической эквивалентной схемы, годной на всех возможных ча­ стотах. При построении всех физических эквивалентных схем, как и при составлении упрощённой схемы усилителя в целом, пренебрегают рядом параметров, не играющих существенной ро­ ли в рассматриваемом диапазоне частот. О результатах такого пренебрежения мы уже говорили выше. С ними приходится ми­ риться. Достоинство большинства физических эквивалентных схем — независимость параметров (R, L, С) входящих в них элементов от частоты в широком интервале частот. Это делает такие схемы удобными для анализа широкополосных усилите­ лей. Однако физические эквивалентные схемы различных усили­ тельных приборов существенно отличаются друг от друга; поэ­ тому анализы усилителей, использующих эти приборы, и форму­ лы, к которым приводит этот анализ, различны. Это большой недостаток физических эквивалентных схем. Поясним сказанное примером.

Известно, что усилительная лампа в весьма широком диапа­ зоне частот может быть с большой точностью представлена физической эквивалентной схемой рис. 1.4, с пятью частотно­ независимыми элементами Сск, Cra, С0‘, Ga, SU,.K. Эта схема является одновременно и формальной с матрицей 7-параметров

При этом схема одноступенного усилителя приобретает вид рис. 1.5, где Уг и Y H — проводимости генератора и нагрузки, которые «видит» перед собой лампа. Оба эти элемента предпо­ лагаются пассивными.