Глава 1. Общие сведения об усилителях с распределенным усилением

1.1. Принцип действия и классификация усилителей с распределенным усилением

В широкополосных усилителях коэффициент усиления при заданной полосе пропускания ограничен величиной межэлектродных емкостей усилительных элементов [2,3]. Применение в усилителе обратной связи, различных цепей коррекции и усилительных элементов (УЭ) с повышенным коэффициентом качества может увеличить коэффициент усиления. Однако при достаточно широкой полосе пропускания коэффициент усиления одного каскада усилителя неизбежно оказывается близким к единице. При этом каскадный принцип построения широкополосных усилителей, когда коэффициент усиления всего усилителя определяется произведением коэффициентов усиления входящих в него каскадов, становится неэффективным.

Увеличение коэффициента усиления при широкой полосе частот может быть достигнуто применением каскада УРУ, содержащего несколько усилительных элементов, включенных входными и выходными электродами в искусственные длинные линии, называемые передающими. Межэлектродные емкости УЭ, входящие в состав передающих линий (ПЛ), по-прежнему ограничивают при заданной полосе частот коэффициент усиления отдельных УЭ. Однако благодаря их распределенному включению в линии коэффициент усиления каскада определяется суммой коэффициентов усиления усилительных элементов. Поэтому усиление одного каскада, достаточное для последующего каскадного включения, в идеальном случае можно получить, увеличив число УЭ.

Рассмотрим устройство и принцип действия УРУ (рис. 1.1). Управляющие сетки и аноды идентичных электронных ламп, число которых равно n, подключены соответственно к входной и выходной однородным передающим линиям, состоящим из фильтров нижних частот (ФНЧ) типа k с постоянными распространения γ_1,2 = α_1,2+jβ_1,2, где α_1,2 - собственное затухание, β_1,2 - фазовые постоянные фильтров входной и выходной ПЛ. В состав емкостей C_1,2 входят межэлектродные емкости ламп. Внутреннее сопротивление источника э. д. с. R₁ нагрузочное сопротивление R₄ и балластные сопротивления R_2,3 согласованы с волновыми сопротивлениями линий, что обеспечивает в них режим бегущей волны. Конденсаторы С_р и С_б выполняют роль соответственно разделительных и блокировочных элементов.

Рис. 1.1. Принципиальная схема каскада УРУ на триодах по схеме с общим катодом

Если α_1,2 пренебрежимо малы, то комплексные амплитуды напряжений на сетке и аноде k-й лампы, а также на выходе каскада от действия k-й лампы равны

где s - крутизна ламп; w₂ - характеристическое сопротивление фильтров выходной линии.

Напряжение на выходе каскада от действия всех ламп представляет собой сумму

Из приведенных соотношений видно, что при одинаковых фазовых постоянных β₁ и β₂ в диапазоне частот (β₁ = β₂ = β₃) амплитуды напряжений U_выхk, не зависят от номера рассматриваемой лампы:

и, следовательно, коэффициент усиления каскада прямо пропорционален коэффициенту усиления одной лампы и их числу

Напряжение на балластной нагрузке R₂ представляет собой сумму комплексных амплитуд напряжений с различными фазами. При полном Согласовании это напряжение не влияет на работу каскада УРУ.

Таким образом, каскад усилителя с распределенным усилением реализует сложение коэффициентов усиления отдельных усилительных элементов без сложения межэлектродных емкостей, что и обеспечивает увеличение коэффициента усиления при сохранении полосы пропускания. Полоса пропускания каскада определяется частотой среза ФНЧ, обратно пропорциональной волновым сопротивлениям и емкостям С_1,2.

Несмотря на большое разнообразие схем УРУ можно построить обобщенную структурную схему каскада (рис. 1.2). Он состоит из цепочечного соединения основных и согласующих секций. Основная секция представляет собой усилительный элемент с примыкающими к нему фильтрами передающих линий. Согласующие секции состоят из двух четырехполюсников, обеспечивающих согласование ПЛ с нагрузочными сопротивлениями Z_1-4. При достаточно хорошем согласовании фильтров с нагрузками согласующие секции могут отсутствовать.

Рис. 1.2. Обобщенная структурная схема каскада УРУ

В зависимости от способа включения усилительных элементов в передающие линии секция может иметь ту или иную структуру. Различают параллельное, последовательное, последовательно-параллельное и параллельно-последовательное включение усилительных элементов в передающие линии (рис. 1.3). В зависимости от способа включения УЭ в передающие линии при его описании удобно пользоваться различными параметрами четырехполюсника: y - в параллельной схеме включения, z - в последовательной, h - в последовательно-параллельной, g - в параллельно-последовательной. Поэтому указанные схемы секций УРУ получили название соответственно y, z, h, g-структур [4].

Структура у является классической и используется при описании усилительных элементов с большими входным и выходным сопротивлениями, например, электронных ламп в схеме с общим катодом (рис. 1.1) или на транзисторах с составными УЭ по каскодной схеме общий эмиттер - общая база с противосвязью в эмиттере (рис. 1.4). Структура h может быть выполнена на транзисторах по схеме с общей базой с применением симметрирующих устройств, обеспечивающих последовательное включение УЭ во входную передающую линию (5-7]. На рис. 1.5 показана одна из возможных схем структуры h. На принципиальную возможность построения усилителей с распределенным усилением по схемам структур z и g указано в работе [4]. Там же вводится классификация всех структур.

Рис. 1.3. Структурные схемы основной секции с различным включением УЭ в передающие линии: а) параллельным; б) последовательным; в) последовательно-параллельным; г) параллельно-последовательным

Рис. 1.4. Принципиальная схема каскада УРУ структуры y на транзисторах по каскодной схеме ОЭ-ОБ

Рис. 1.5. Принципиальная схема каскада УРУ структуры h на транзисторах по схеме с ОБ

Рис. 1.6. Структурная схема ступени УРУ

На входе и выходе каскада УРУ для увеличения коэффициента усиления и обеспечения согласования могут быть включены устройства, называемые переходными (рис. 1.6). Обратимые переходные устройства (ПУ)

представляют собой пассивные трансформаторы сопротивлений. Необратимые-дополнительно содержат электронные лампы или транзисторы для обеспечения коэффициента передачи всего ПУ не менее единицы. Совокупность переходных устройств и каскада УРУ называется ступенью. При отсутствии ПУ ступень не отличается от каскада. Цепочечное соединение ступеней или каскадов, необходимое для достижения заданного коэффициента усиления, представляет собой многокаскадный УРУ.

В зависимости от диапазона применяемых фильтров УРУ подразделяются на УРУ нижних частот и полосовые УРУ. В передающих линиях первых используются ФНЧ типа k и m [8, 9] и фильтры, построенные на отрезках длинных линий [10, 11]. В полосовых УРУ могут применяться весьма разнообразные полосовые фильтры. Наибольшее распространение получили трехэлементные и четырехэлементные (типа k) полосовые фильтры [12, 13]. Каскад УРУ может состоять из одинаковых и неодинаковых секций. В первом случае усилитель носит название однородного, во втором - неоднородного. Для мощных усилителей с распределенным усилением предпочтительна неоднородная схема, так как в этом случае улучшаются их энергетические показатели [14]. Маломощные широкополосные УРУ гармонических сигналов обычно строятся по однородной схеме.

Разделение усилителей с распределенным усилением на мощные и маломощные обусловлено различием областей применения, а, следовательно, выдвижением на первый план различных комплексов технических показателей. Для маломощных УРУ, применяемых в приемной измерительной, связной радиоэлектронной аппаратуре, наиболее важными являются такие показатели, как полоса пропускания, рабочий коэффициент усиления напряжения и его неравномерность в диапазоне частот, коэффициент шума, динамический диапазон. Используемые методы анализа и схемные решения направлены на улучшение этих показателей. Использование мощных УРУ, например, в широкодиапазонных радиопередатчиках, кроме обеспечения таких показателей, как полоса пропускания, неравномерность коэффициента усиления, динамический диапазон, требует решения весьма важной специфической задачи повышения энергетической эффективности усилителя, характеризуемой энергетическими показателями: к. п. д., коэффициентом использования по мощности усилительных приборов, коэффициентом усиления мощности, мощностью выходного сигнала. Стремление получить высокие энергетические показатели существенно отражается на схемах УРУ и методике их расчета [14].

Усилители с распределенным усилением также могут быть подразделены на усилители гармонических сигналов и импульсные. Первые применяются для усиления сигналов, ширина спектра которых меньше полосы пропускания УРУ, и анализируются в установившемся режиме. Вторые применяются для усиления импульсов с весьма малыми длительностями фронтов. Анализ таких усилителей целесообразно проводить в переходном режиме [15, 16]. В настоящей работе рассматриваются маломощные широкополосные однородные УРУ гармонических сигналов на электронных лампах и транзисторах.