7.11. Особенности схем и режимов усилителей с ом

Все усилители в однополосных передатчиках разделяются на две группы: предварительные и мощные оконечные. Основными требова­ниями для первых усилителей являются высокая линейность, широкополосность, максимальная надежность. Получение этих характеристик достигается, как правило, за счет снижения энергетических показателей. В мощных оконечных усилителях выбор между высоким КПД и высо­кой линейностью усиления решается компромиссным путем [14, 15].

Предварительные усилители. В современных высококачественных передатчиках предварительные усилители выполняются, как правило, на пентодах или тетродах, работающих в классе А, без сеточных токов. Рабочая область выбирается на максимально линейной части характе­ристики i_а = f(е_с) (см. рис. 7.22). Анодная нагрузка, как правило, выпол­няется резистивной или для лучшей широкополосности — в виде звена полосового фильтра — эквивалента длинной линии (рис. 7.30). Иногда в предварительных усилителях используются лампы с удлиненным ниж­ним сгибом характеристики i_а = f(е_с), которая достаточно точно аппрок­симируется трехчленом i_a = а₀ + а₁е_с + а₂е²_с.

При подаче на сетку такого усилителя напряжения е_с = Е_c + U_ccosω₀t ток в анодной цепи будет состоять из постоянной со­ставляющей I_а0 = а₀ + а₁Е_с + а₂Е²_с + 0,5a₂U_c², первой гармоники, про­порциональной напряжению возбуждения, I_а1 = (а₁ + 2a₂E_c)U_c и второй гармоники I_с2 = 0,5а₂U_c².

Рис. 7.30. Широкополосный усилитель с эквивалентом длинной линии

Если за рассмотренным усилителем следует второй усилитель с лам­пой такого же типа, то для предупреждения появления нелинейных искажений колебания второй гармоники на выходе первого усилителя следует подавить. Для этой цели усилители собирают либо по двухтакт­ной схеме, либо анодные нагрузки подключаются к лампам через пере­ключаемые фильтры (рис. 7.31) с перекрытием по полосе пропускания, несколько меньшим октавы (1,6... 1,8). Эти усилители даже без специаль­ных мер повышения линейности АХ обеспечивают K_3f2т = −40 дБ.

Рис. 7.31. Усилитель с переключаемыми фильтрами

Предварительные усилительные каскады мощных многоканальных передатчиков выполняются в последнее десятилетие, как правило, на биполярных и полевых транзисторах. Предпочтение отдают полевым транзисторам с изолированным затвором. Для повышения линейности АХ в этих каскадах используются: работа в классе А, двухтактные схемы, трансформаторы для подавления четных гармоник в коллектор­ных цепях, неполное использование транзисторов, автоматическое сме­щение. Наконец, транзисторы для этих каскадов выбираются с наиболее высоким значением ω_т и, как правило, включаются по схеме с ОЭ.

Мощные усилители. В современных маломощных передатчиках мощный усилитель строится, как правило, на транзисторах по двухтакт­ной схеме с ОЭ. В передатчиках средней мощности для оперативной связи выходные усилители выполняются либо полностью на транзисто­рах, либо на лампах в виде УРУ.

Транзисторные усилители мощностью 1... 10 кВт собираются из мо­дулей с максимальной мощностью 250...5000 Вт каждый (на рис. 7.32 обозначено: 1 — предварительный усилитель, 2 — устройство распреде­ления мощности). В модуле, как правило, работают 4 — 40 транзисто­ров, включенных по схеме с ОЭ (или ОИ) при θ = 90°. Для сим­метрирования формы импульса коллекторного тока (рис. 7.33, а) к входу транзистора по ВЧ подключается резистор R_д (рис. 7.33 б), сопротивле­ние которого находится из условия (см. рис. 2.58).

Рис. 7.32. Структурная схема транзисторного выходного каскада

Для поддержания угла отсечки θ = 90° при изменении U_Б на базу подается комбинированное смещение. Фиксированное (приоткрываю­щее) смещение обеспечивает равенство θ = 90° при малых амплитудах входных сигналов: . Автоматическое смещение (подзапирающее за счет падения напряжения на сопротивленияхR₁, R₂, R₃) поддерживает равенство θ = 90° при больших сигналах, когда I_Б0 достаточно велик: . Эти меры позволяют улучшить линейность АХ транзисторных усилителей, работающих в области низких и средних частот (ω < 3ω_т/β₀).

В выходной цепи усилителя применяются схемы сложения мощности отдельных модулей 7—9 (см. рис. 7.32), устройство для фильтрации гармоник 10 и устройство согласования усилителя с антенной 11. Очень важным дополнением к мощному транзисторному усилителю является не показанное на рис. 7.32 устройство защиты этого каскада от перемо­дуляции и от перегрузок из-за рассогласования связи с антенной.

Рис. 7.33. Схема усилителя на БТ с автосмещением и сопротивлением R_д

В сравнительно мощных усилителях приходится использовать боль­шое число транзисторов, поскольку в режиме линейного усиления даже лучшие современные образцы отдают только 50...500 Вт. И даже при таком использовании транзисторов линейность АХ получается сравни­тельно невысокой (K_3f2т ≈ −25 дБ). При повышении коэффициента использования транзисторов по напряжению ξ_max = U_K/E_K нелинейные искажения нарастают очень быстро в отличие от искажений в ламповых усилителях. Объясняется это тем, это транзистор является прибором с комплексной нелинейностью, вследствие чего для транзисторного усилителя и модуль K(U_Б) и фаза φ(U_Б) коэффициента передачи K = K(U_Б)ехр[iφ(U_Б)] зависят от многих параметров, в том числе и от амплитуды усиливаемого сигнала.

В гл.2 при анализе эквивалентной схемы биполярного транзистора было указано, что значение емкости С_к зависит от величины мгновен­ного напряжения на коллекторном переходе е_кп. Эта емкость во многом определяет выходную емкость транзистора С_вых.

Схема простейшего усилителя с резистивной нагрузкой с учетом выходной емкости транзистора С_вых представлена на рис. 7.34, а, а его упрощенная эквивалентная схема — на рис. 7.34, б. При подаче на вход напряжения с переменной амплитудой напря­жение на нагрузке этого усилителя может быть представлено в виде, гдеU_K(t) — нелинейная функция от U_Б(t); — также нелинейная функция отU_K(t). Аналогичные результаты получены для резонансных усилителей.

Исследования транзисторных усилителей показали (рис. 7.34, в), что при ξ ≤ 0,5 усиление постоянно, ξ ~ U_Б, а φ(U_к) мало (меньше 1...3°). При увеличении ξ до ξ_гр из-за снижения β₀ K(U_Б) падает и сильно увеличи­вается φ(U_к). В этой области φ(U_к) изменяется почти пропорционально U_к²(t). При усилении сигнала с переменной амплитудой возникают искажения амплитуды из-за нелинейности и паразитная фазовая моду­ляция из-за нелинейной зависимости φ(U_к). Эта паразитная ФМ в ко­нечном счете также приводит к нелинейным искажениям.

Аналогичные явления имеют место в усилителях на полевых транзис­торах, где выходная емкость C_{з с} + С_{з и} нелинейна (см. рис. 2.52) и это также приводит к паразитной ФМ.

Рис. 7.34. Нелинейная емкость в усилителе

Современным вариантом мощного усилителя с полезной мощностью до 5 кВт для передатчиков оперативной связи является ламповый УРУ. Такие УРУ, собранные по двухтактной схеме, обычно содержат до 10 — 12 ламп, работающих в недонапряженном режиме с θ = 90°. Для подавления высших гармоник применяют перестраиваемые или смен­ные фильтры и устройства для согласования выходного каскада с антен­ной. Усилители с распределенным усилением менее чувствительны к рассогласованию с нагрузкой и не требуют введения быстродействую­щей защиты.

Для повышения выходной мощности, КПД, коэффициента исполь­зования ламп v_л = Р_1mах/Р_1ном и некоторого снижения уровня нелиней­ных искажений в УРУ применяют неоднородные анодные линии с волновым сопротивлением, понижающимся по мере приближения к выходу. При тщательном проектировании и регулировке УРУ обеспе­чивают K_3f2т = 40 дБ, однако КПД усилителя оказывается низким из-за малого КПД ламп по анодной цепи (η_{a max} ≤ 37 %) и из-за сравнительно большого расхода энергии в цепях накала и экранирующих сеток. Тща­тельное изготовление эквивалентов длинных линий и симметричная установка режимов ламп в плечах двухтактного УРУ позволяют подав­лять вторую гармонику в такой степени (больше 43 дБ), что норма на излучение гармоник может быть достигнута без дополнительной фильт­рации.

Оконечные усилители передатчиков с ОМ средней и большой мощ­ности (Р_{1 mах} > 5 кВт) выполняются на лампах, главным образом на тетродах, по схеме с общим катодом или общими сетками. Современные мощные тетроды — левые лампы с протяженным нижним сгибом харак­теристики i_a = f(e_c). Наиболее мощные тетроды отдают до 1800 кВт полезной мощности.

Для получения малого уровня искажений лампы должны работать в недонапряженном режиме и без сеточных токов. Параметры режима выбирают следующим образом. Напряжение анодного питания Е_а вы­бирается равным (0,8...1)Е_а.ном. Коэффициент использования анодного напряжения для пиковой мощности ξ_max выбирают на 3...10 % меньше, чем для критического режима ξ_кр. Напряжение второй сетки, как пра­вило, выбирают равным номинальному Е_с2ном. Это напряжение должно быть стабилизировано. При таком выборе обеспечиваются хорошая линейность АХ и высокий КПД η_{a max} (см. § 2.9).

Выбор напряжения смещения Е_с на первой сетке требует особой тщательности, поскольку от него зависят линейность АХ (см. рис. 7.27) и средний КПД анодной цепи η_a.ср. Для получения высокого η_a.ср выбирается режим работы с отсечкой анодного тока при больших зна­чениях напряжения возбуждения U_c, т. е. рабочая точка выбирается на нижнем сгибе характеристики i_а = f(e_c). Для получения наибольшей линейности АХ усилителя с лампами, у которых D ≈ 0, необходимо, чтобы крутизна характеристик анодного тока S = di/de_c при е_с = Е_{с опт} была равна 0,55S_ср, где S_ср — средняя эффективная крутизна для макси­мального режима. Для ламп с D ≠ 0 оптимальное значение Е_{с опт}, минимизирующее K_3f2т, может быть получено с помощью ЭВМ.

Что касается приблизительного расчета, то для ламп с коротким нижним сгибом характеристики Е_{с опт} обычно почти совпадают с напря­жением отсечки анодного тока Е'_с для идеализированных характерис­тик. Для ламп с малым значением D и протяженным нижним сгибом характеристики предыдущий способ приводит к большим ошибкам. Для них имеется простой графический способ определения приблизи­тельного значения Е_{с опт} (рис. 7.35), при котором для большинства типов ламп получаются сравнительно малые ошибки. В соответствии с этим способом ориентировочно находят i_{a max}, отмечают точки а и б и через них проводят прямую до пересечения с осью абсцисс (точка г). Напря­жение Е_с, соответствующее точке г, и принимается за Е_{с опт}. По этому же рисунку (точка в) определяется ток покоя I_п. За крутизну при расчете максимального режима принимается значение S = tgα.

В этом режиме через лампу течет сравнительно большой ток покоя I_п, который необходимо учитывать при расчете потребляемой анодной цепью мощности Р₀. Наиболее точный расчет для Р₀ получается на ЭВМ. Для расчетов с ошибкой, не превышающей 7 %, можно рекомен­довать следующую методику: реальная лампа заменяется лампой с соответствующими идеализированными характеристиками, работающей с θ = 90°, и параллельно включенным по постоянному току резистором, через который течет ток δI_п. В этом случае потребляемая мощность Р₀ = E_аY₀(X)I_а0max = E_а(I_а0 + δI_п), где I_а0 — постоянная составляющая, рассчитанная по идеализированным характеристикам; I_п — ток покоя, а δ — поправочный коэффициент, для большинства типов ламп δ = 0,25...0,32. При усилении сигналов с переменной амплитудой сред­няя потребляемая мощность , где— среднее значение безразмер­ной амплитуды усиливаемого сиг­нала.

Рис. 7.35. К расчету оптимального смещения

Рассмотрим важный вопрос о степени использования ЭП по мощ­ности в усилителях сигналов с ОМ. В отличие от усилителей сигналов с постоянной амплитудой (например, сигналов с ЧМ, ФМ и др.), в кото­рых на анодах ламп рассеивается не­изменная мощность и устанав­ливается постоянный тепловой режим, в усилителях сигналов с ОМ эти параметры оказываются переменными. Нагрев анода, первой или второй сеток в лампах вследствие тепловой инерции и из-за кратковре­менности пиковых значений U_{с max} определяется средними значениями мощностей рассеяния Р_а.н.ср. В этом случае допустимость режима следует проверять по условию Р_а.н.ср < Р_а.н.доп, где , a значения и можно взять из табл.7.1.

Рис. 7.36. Схема межкаскадной связи в ОМ передатчике

При усилении телефонных или многоканальных телеграфных сигна­лов средняя потребляемая от источника анодного питания мощность Р_0ср заметно меньше максимальной Р_0max: .При проектировании современных передатчиков этот факт используется для снижения массы и стоимости источников питания. Поскольку режимы телефонии и многоканальной телеграфии для передатчиков с ОМ счи­таются, как правило, основными, то максимальную мощность передат­чика Р_1max можно устанавливать по этим видам работы. Мощность при одноканальной телеграфии (ЧМ, AT, ФТ) целесообразно уста­навливать в 1,5...3 раза меньше. Значение Р_1max следует выбирать по рекомендациям завода-изготовителя ламп. В некоторых случаях, особенно при повышении коэффициента использования ламп (), в цепи первой сетки при режиме, близком к макси­мальному может возникнуть ток и сопротивление промежутка лампы сетка — катод R_{с min} = U _{с max}/I _{с1 max} резко снизится.

В этом случае для уменьшения нелинейных искажений усилителя используют один из следующих способов.

1. Включают балластное сопротивление R_б < R_{c min} (рис. 7.36) и с учетом его увеличивают мощность предыдущего каскада [14].

2. Схему связи предварительного усилителя с оконечным строят так, чтобы при трансформации внутреннего сопротивления R_i, лампы пред­варительного усилителя к промежутку сетка — катод лампы выходного усилителя R'_i, выполнялось условие R'_i < R_c.min. Один из вариантов схемы связи приведен на рис. 7.36. Здесь контур L₁C₁C₂ осуществляет фильтра­цию и трансформацию напряжений и сопротивлений соответственно: переменная индуктивность L_св позволяет регулировать напряжение U_c а контур L₂C₃ с большой емкостью С₃, включающей и входную емкость лампы С_с.к, вследствие необходимого низкого значения резонансного сопротивления обеспечивает в цепи сетка — катод малое сопротивление для токов с частотами nω₀ (п > 1) и уменьшает АФК.

3. Лампы мощного усилителя включают по схеме с общей сеткой (см. § 2.11). Входное сопротивление такого усилителя много меньше, чем входное сопротивление усилителя по схеме с общим катодом (R_{вх ОК} = U_с/I_cl), пределы его изменения при изменении U_c резко сужаются, так как I_cl/I_a1 < 1, и, следовательно, влияние сеточного тока на уровень нелинейных искажений заметно снижается. Нужно также учитывать, что в каскаде с ОС имеется ООС по току I_а1, благодаря которой при определенных условиях (малые токи сеток) можно получить снижение нелинейных искажений. Эффект ООС возникает благодаря тому, что на сопротивлении входной цепи созда­ются два противоположных напряжения: одно за счет тока от предвари­тельного каскада, другое за счет протекания тока I_а1 каскада с ОС. Разностное напряжение и действует в качестве напряжения возбужде­ния. Более подробные сведения приведены в § 2.11 и в [18].

Применение схемы с общей сеткой на лампах старых типов с малой крутизной S было связано в основном с желанием получить повышен­ную устойчивость и ограничивалось низким значением коэффициента усиления каскада по мощности , поскольку отношение U_а/U_с для них достигало лишь 5... 10. Усилители по схеме с общей сеткой на современных лампах с высокой крутизной (S = 50...200 мА/В) имеют K_P = 20...50. Именно по этим причинам в ряде отечественных передатчиков в мощном каскаде приме­няется схема с общей сеткой. Использование режимов с большими се­точными токами, а также тетродов с большими токами второй сетки в усилителях по схеме с ОС могут существенно снизить линейность АХ (см. §2.11).

Большую помощь при анализе работы и расчете параметров режи­мов УМК с ОК и с ОС могут оказать модели этих каскадов на ЭВМ. Выполненные в соответствии с изложенными в § 2.18 принципами и с использованием реальных статических характеристик математические модели УМК позволяют для заданной конкретной лампы получить, например, характеристики, приведенные на рис. 7.21, 7.26, 7.27, 7.29. По этим характеристикам при проектировании УМК выбор параметров рабочего режима можно сделать с большей надежностью.