Глава 7. Усилители с распределенным усилением на электронных лампах

7.1. Эквивалентные схемы и параметры усилительных элементов

Наиболее перспективными электронными лампами для широкополосных усилителей диапазона метровых и дециметровых волн являются титанокерамические лампы (ТКЛ) [44], хотя в принципе могут использоваться и другие типы электронных усилительных ламп. Титанокерамические лампы обладают сравнительно малыми меж- электродными емкостями, незначительными индуктивностями вводов и достаточно высокой крутизной. В связи с этим постоянная времени ТКЛ в два раза меньше [45], чем у наиболее широкополосных ламп с катодной сеткой. В маломощных распределенных усилителях нашли применение титанокерамические триоды ГС-11 и ТМ-1. В качестве усилительного элемента может использоваться триод по схеме с общим катодом, каскодная схема общий катод - общая сетка (рис. 7.1,а, б), а также редко применяемая вследствие малой эквивалентной крутизны, каскодная схема общий анод - общая сетка. В данной работе в основном будут рассматриваться усилители на УЭ по каскодной схеме общий катод - общая сетка (ОК - ОС). Анализ усилителя на триодах по схеме с общим катодом (ОК) будет проводиться с точки зрения оценки параметров электронной лампы, имеющей схему замещения триода с ОК.

Рис. 7.1. Усилительные элементы: а) на триоде по схеме с общим катодом; б) на триодах, включенных по каскодной схеме ОК-ОС

Схемы замещения триода по схеме с общим катодом и общей сеткой (ОС) показаны на рис. 7.2,а, б, где не учитывается межэлектронная емкость анод - катод С_ак поскольку она мала и практически обусловлена, только монтажной емкостью, которая в УЭ по схеме с ОК может быть отнесена к емкости фильтра, а в УЭ по каскодной схеме - к С"_ск. Также не учтено внутреннее сопротивление анодной цепи, так как для УРУ оно, как правило, много больше нагрузочного сопротивления (половины характеристического сопротивления фильтра выходной линии в точке подключения УЭ).

Рис. 7.2. Схемы замещения триода: а) с общим катодом; б) с общей сеткой

Электронные лампы в УРУ могут применяться только в параллельном включении в передающие линии. При этом секция имеет структуру у. Следовательно, нас интересуют y - параметры усилительных элементов: для триода по схеме с ОК

для триода по схеме с ОС

для УЭ по каскодной схеме ОК - ОС

где |y^',"| - определители y-матриц.

Подстановка (7.1), (7.2) в формулу для y_11к дает:

где введены следующие обозначения:

- коэффициент усиления триода по схеме с ОК на низкой частоте;

- относительная проходная емкость первой лампы;

- относительная текущая частота;

- величина, обратная постоянной времени нагрузочной цепи первой лампы.

Аналогичным образом выразим параметр

Модуль y_21К, отнесенный к статической крутизне первой лампы, равен

Параметры ламп ГС-И и ТМ-1 отличаются незначительно. Триод ТМ-1 имеет раздельный накал. Поэтому его .выгодно использовать в каскодной схеме вторым во включении с общей сеткой.

Крутизна ламп s^'," = 13-20 мА/В, междуэлектродные емкости (в горячем состоянии лампы) имеют следующие величины: C_cк' = 3,5 пФ, С_са' = 1,5-2 пФ (совместно с монтажной), С_ск" ≈ 4,5 пФ (совместно с монтажной), С_са" ≈ 1,4 пФ. Следует заметить, что при расчете входных и выходных емкостей необходимо учитывать монтажные емкости катушек индуктивностей и подводящих проводников, а также (если требуется) емкости дополнительных конденсаторов, включаемых для обеспечения синфазности и необходимых характеристических сопротивлений линий.

Нетрудно показать, что для ТКЛ относительное изменение емкости С_11к в интересующем нас диапазоне частот невелико, а при наличии дополнительных емкостей еще меньше. Поэтому можно считать С_11к величиной постоянной и равной низкочастотному значению

Выходная емкость УЭ по каскодной схеме С_22к - величина постоянная и равна С_са". Ко входной и выходным емкостям, т. е. соответственно к С_ск' и С_са", необходимо, добавлять некоторую монтажную емкость, которая приблизительно составляет 1,5-2 пФ.

На рис. 7.3 показаны С_11к/С_11к0, Y_к и R_11к, нормированное относительно сопротивления R_H = 100 Ом в зависимости от у. При расчете были взяты следующие величины крутизны и межэлектродных емкостей:

Низкочастотное значение емкости Си ко равно 9 пФ, частота f_T = ω_T/2π = 600 МГц.

Из графиков видно, что емкость С_11к уменьшается незначительно, а Y_к и R_11K весьма существенно. Частотные зависимости Y_к и R_11к, обусловленные влиянием емкостей С_са' И С_cк", должны учитываться при анализе характеристик каскада УРУ. Особенно сильное влияние оказывает сопротивление Дик, создающее потери во входной передающей линии каскада, поскольку на частотах порядка 400 МГц Дик становится соизмеримым с характеристическим сопротивлением фильтров. Экспериментальное измерение R_11к резонансным методом в диапазоне частот до 400 МГц показало достаточно хорошее совпадение экспериментальных величин с теоретическими, рассчитанными по (7.5).

Рис. 7.3. Частотные зависимости параметров УЭ на ТКЛ, включенных по каскодной схеме ОК-ОС