УСИЛИТЕЛИ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМ УСИЛЕНИЕМ
Любой усилитель можно характеризовать величиной П= f К – площадью усиления, где К – коэффициент усиления, f – рабочая полоса частот.
Полоса f выходной цепи усилителя определяется произведением Свых АЭ на сопротивление Rп (индуктивностью выводов можно пренебречь).
При K=const и параллельном включении n АЭ сопротивление нагрузки Rп уменьшается, но СВЫХ во столько же раз увеличивается. То есть «П» остается без
изменения.
Задача увеличения «П» решается с помощью усилителей с распределенным усилением (УРУ). Как в параллельной схеме, в них формируют I АЭ в общей
нагрузке, но не CВЫХ. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
СВЫХ АЭ в них являются |
|
|
|
|
|
|
элементами искусственной |
Rбал.а |
|
|
|
|
|
длиной линии, полоса частот |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
которой не зависит от числа |
|
|
|
|
|
|
ячеек. |
|
|
|
|
|
|
В сеточной и анодной линиях |
|
|
|
|
|
|
создается режим бегущей волны. |
|
|
|
|
|
|
При этом скорости движения волн |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вдоль обеих линий одинаковы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
va=vc. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
UВХ |
|
|
||||
Рис. 8. Схема лампового |
|
|
||||
усилителя с распределенным |
|
|
|
|
|
|
усилением |
|
|
|
|
|
|
|
Звенья искусственной линии |
|
СЗ |
СЗ |
Rп |
|
|
UВЫХ |
СЗ |
|
СЗ |
Rбал.с |
|
|
|
|
|
Звенья искусственной линии |
|
12 |
|
|
|
звено ИЛ
звено 
согл. (СЗ)
LaCa= LcCc для va=vc
Рис. 8б. Электрическая схема лампового усилителя с распределенным усилением
В простейшем случае УРУ состоит из двух (на входе и на выходе) искусственных однородных линий из 10 15 звеньев типа ФНЧ или ПФ и того же числа АЭ.
13
В однородной линии UВЫХ возрастает к выходу. Если режим последней лампы
КР, то предыдущие лампы работают в режиме ННР. Это снижает выходные Р и КПД. Снизить потери можно применяя неоднородную линию, волновое
сопротивление ZВ которой возрастает к началу линии.
Закон изменения волнового сопротивления ZВ подбирают так, что в линии
существует лишь прямая волна, а амплитуды напряжений на анодах ламп одинаковы. При этом Rбал в анодной цепи не нужны.
Прямые волны, распространяющиеся к выходу усилителя, складываются синфазно, и выделяют в нагрузке половину мощности, развиваемой лампами.
Звенья СЗ согласуют меняющиеся в полосе частот характеристическое сопротивление искусственных линий с RП и Rбал.
Для равномерного использования ламп по току, необходимы одинаковые UВОЗБ,
поэтому затухание входной линии должно быть малым.
Когда необходимы минимум искажений и гармоник, работают без отсечки анодных токов, и КПД падает.
Для компенсации четных гармоник УРУ строят по двухтактной схеме с трансфоматорной связью с нагрузкой.
УРУ применяется в качестве ШПУ промежуточных и выходных каскадов РПУ КВ, УКВ и ДМВ. Мощность ламповых УРУ достигает единиц киловатт в
непрерывном режиме и сотен киловатт в импульсном, при полосе менее или более
октавы.
14
Достоинствами УРУ являются
-высокая надежность в целом, т.к., например, при потере эмиссии одной-двух ламп выходная мощность снижается незначительно, а от КЗ ламп защищаются плавкими предохранителями.
-постоянное активное выходное сопротивление УРУ позволяет работать с рассогласованными нагрузками (КБВ до 0,3) при сохранении рабочей полосы частот и приемлемой неравномерностью выходной мощности.
-в третьих, УРУ есть сумматор мощностей большого числа генераторов в широкой полосе частот (до 5 октав) без применения мостовых схем.
Недостатки:
-сложность схемы, недоиспользование части ламп по мощности и низкий КПД,
-при большом числе каскадов увеличивается склонность УРУ к самовозбуждению, растет затухание в линиях, усложняется регулировка.
Поэтому происходит переход к построению ШПУ не на УРУ, а на усилителях с широкодиапазонными ЦС.
-----------------------------
Коэффициент бегущей волны КБВ=(1-|Г|)/(1+|Г|)
Коэффициент отражения Г=(ZН–WВ) / (ZН+WВ) , WВ-сопротивление линии 15
ТРАНЗИСТОРНЫЕ ШПУ НА ТРАНСФОРМАТОРАХ С ФЕРРИТОМ
РПУ диапазона (0,1...30 МГц), в которых целесообразно применять ШПУ, отличаются разнообразием технических данных: назначением, мощностью, видами модуляции, количеством выпускаемых экземпляров и т.д.
Наилучшим образом требованиям дешевизны производства, удобства эксплуатации, надежности, экономичности отвечает построение их ВЧ трактов по принципу ШПУ.
Построение ШП передатчиков этого диапазона осложняется сильной частотной зависимостью входного сопротивления антенны, особенно широко используемых в низовых системах радиосвязи простейших антенн типа «штырь». Особенностью таких антенн является их высокая добротность (Q~100), и, соответственно, их узкополосность. В этом случае весь тракт передатчика может быть широкополосным, за исключением выходной цепи, которая неизбежно оказывается узкополосной (и настраиваемой).
Диапазон коротких волн (3...30 МГц) разбивается на несколько октавных поддиапазонов, в пределах которых можно эффективно согласовать выходной каскад
сантенной с помощью специальных корректирующих звеньев.
Вдиапазонах 30...300 кГц и 0,3...3 МГц можно получить высокие КПД (до 70%) и линейную амплитудную характеристику (АХ), применяя простые
трансформаторные схемы с глубокими отрицательными обратными связями.
16
Коэффициенты трансформации трансформаторов с магнитной связью по напряжению, току и сопротивлениям определяются по формулам:
K =u |
/u |
=w |
/w ; |
K =I |
/I |
=w |
/w |
; |
R |
/R |
ВХ |
=w |
2/w 2 |
U 2 |
1 |
2 |
1 |
I 2 |
1 |
1 |
2 |
|
Н |
|
2 |
1 |
Т
В эквивалентной электрической схеме на рис. учитываются сопротивления обмоток rs1, rs2 и эквивалентное сопротивление потерь в магнитопроводе Rм. Влияние rs1, rs2 и Rм
на коэффициент трансформации мало, и их учитывают при оценке мощности потерь и расчете КПД трансформатора.
Паразитные реактивные элементы влияют на коэффициент трансформации и ограничивают его полосу: снизу - эквивалентной индуктивностью намагничивания первичной обмотки LM, сверху - индуктивностями рассеивания обмоток Ls1, Ls2,
эквивалентными емкостями обмоток Сп1, Сп2 и эквивалентной емкостью между |
|
|
обмотками Сп1-2. |
|
|
Для расширения полосы пропускания необходимо увеличивать LM и |
17 |
|
одновременно снижать Ls и Сп. Однако эти требования противоречивы. |
||
|
При рациональном проектировании обеспечивается полоса пропускания с коэффициентом перекрытия до 10…30 на частотах от 100 кГц до 100 мГц для больших сопротивлений RН (25 Ом…10 кОм) [РПУ, Шахгильдян].
Для мощных каскадов на биполярных транзисторах с малыми RВХ и RВЫХ (от единиц и менее Ом) трансформаторы с магнитной связью малопригодны.
Схемы с ОБ (рис.9а) и с ОК (рис.10) имеют 100%-ные отрицательные обратные связи, соответственно по току и по напряжению.
Рис. 9. Схема двухтактного трансформаторного ШПУ с ОБ (а) |
Рис.10. Схема широкополосного |
и формы выходного тока и входного напряжения (б) |
двухтактного эмиттерного повторителя |
18
В схеме с ОЭ (рис.11) отрицательная обратная связь вводится с помощью трансформаторов Тр3, ее
глубина определяется коэффициентом трансформации.
Рис. 11. Схема трансформаторного ШПУ с
ОЭ
Нелинейность АХ усилителя, порождаемая нелинейностью АЭ, зависит от внутреннего сопротивления источника возбуждения. Для уменьшения нелинейности АХ усилители на рис.9а (ОБ) и 11 (ОЭ) следует возбуждать генератором тока, а усилитель на рис.10 (ОК) – генератором напряжения.
Искажения выходного сигнала в схеме ОБ на рис.9а малы лишь в КР и HP. Увеличение сопротивления нагрузки в схеме с ОБ может перевести усилитель в ПР и вызвать искажение формы выходного сигнала.
От этого недостатка свободна схема с ОК (рис.10), в которой выходное напряжение в широком интервале сопротивлений нагрузки близко к входному. Поэтому она предпочтительна при работе на переменную нагрузку.
19
Если требуемое подавление гармоник не превышает 40...50 дБ, можно, применяя указанные схемы, обойтись без октавных фильтров гармоник на выходе усилителя.
Отрицательная обратная связь в схемах на рис.9-11 позволяет, кроме того, получить равномерную АЧХ усилителя.
Усилители указанных диапазонов обычно строятся по схеме с заземленным коллектором, поскольку у транзисторов этого диапазона коллектор, как правило, соединен с корпусом, а корпус привинчивается к шасси.
На схемы ШПУ диапазона до десятков мегагерц влияют два обстоятельства:
•необходима коррекция АЧХ усилителя в связи с сильным проявлением инерционных свойств транзистора,
•трудно реализовать обычный трансформатор, особенно мощный, с равномерной АЧХ из-за влияния индуктивностей рассеяния и паразитных межвитковых и межобмоточных емкостей.
20
