Глава первая. Особенности и методы анализа усилителей мощности с распределенным усилением

§ 1. Принцип действия и классификация усилителей с распределенным усилением

Одним из основных факторов, ограничивающих широкополосные свойства реостатных усилителей, являются между электродные емкости усилительных приборов и емкость нагрузки. Емкостные сопротивления этих элементов на высоких частотах соизмеримы с сопротивлением нагрузки и оказывают сильное шунтирующее действие. С целью уменьшения этого шунтирующего действия приходится идти на уменьшение сопротивления нагрузки, что существенно ухудшает показатели усилителей (коэффициент усиления, выходную мощность, к. п. д. и др.).

При весьма широких полосах частот сопротивления нагрузки становятся столь малыми, что коэффициент усиления может оказаться равным или меньшим единицы. Применение усилителя в этом случае не имеет смысла, так как он не выполняет свою основную функцию.

Из теории ламповых усилителей известно [1], что связь между коэффициентом усиления напряжения К_U и шириной полосы усиливаемых частот Δf одного каскада с коррекцией определяется соотношением:

где S - крутизна анодно-сеточной характеристики лампы; С_вых - выходная емкость лампы; С_вх - входная емкость лампы следующего каскада. Из этого соотношения можно определить максимальную полосу частот, при которой усилительный каскад на лампах данного типа еще выполняет свои функции (K_U ≥ 1). Обычно даже для весьма широкополосных ламп максимальная полоса частот лежит в пределах 100-200 Мгц.

Принципиальные трудности усиления более широких полос частот могут быть решены при использовании в одном каскаде нескольких усилительных приборов (УП). При этом выходные электроды усилительных приборов тем или иным способом соединяются с общей нагрузкой, так что в последней происходит сложение токов каждого УП, а входные электроды подключаются к источнику сигнала. Простейшим примером такого каскада является усилитель, построенный на параллельном соединении нескольких ламп. Однако в таком усилителе коэффициент усиления с ростом числа параллельно соединенных ламп в каскаде практически не возрастает, так как одновременно с ростом эквивалентной крутизны увеличиваются и эквивалентные емкости.

В связи с этим возникла идея такого соединения выходных цепей ламп многолампового каскада, при котором крутизны отдельных ламп складывались бы без сложения их входных и выходных емкостей. Эта идея и нашла конкретное воплощение в усилителе с распределенным усилением [50].

Устройство и принцип действия УРУ рассмотрим на примере простейшей схемы (рис. 1). Приведенная схема состоит из нескольких ламп, двух искусственных линий (входной и выходной), согласующих сопротивлений R_g, R_б, R_н и ряда вспомогательных элементов.

Рис. 1. Принципиальная схема УРУ

Сетки ламп подключены к отводам входной (сеточной) линии, а аноды - к отводам выходной (анодной) линии.

Искусственные линии состоят из звеньев фильтров нижних частот, причем емкостный элемент звеньев частично или полностью образован входной или выходной емкостью ламп. Такие линии являются низкочастотными аналогами линий с распределенными постоянными, и происходящие в них процессы приближенно могут рассматриваться как волновые.

Источник сигнала, подключаемый ко входу сеточной линии, возбуждает в ней волну напряжения, которая по мере распространения в линии создает напряжения на сетках ламп, сдвинутые во времени (по фазе) в соответствии с временем задержки ячеек сеточной линии. Сеточная линия согласована на правом конце сопротивлением R_g, вследствие чего отраженная волна в ней отсутствует.

Анодный ток каждой лампы создает в выходной линии две волны тока (и связанные с ними две волны напряжения). Одна из этих волн распространяется в сторону полезной нагрузки R_н, согласующей анодную линию справа, и называется прямой волной. Другая волна распространяется в сторону балластной нагрузки R_б и называется обратной волной. Таким образом, в полезной нагрузке суммируются прямые волны от всех ламп, а в балластной - обратные.

Фаза прямой волны от каждой лампы в нагрузке будет определяться фазой тока этой лампы (т. е. временем задержки участка сеточной линии, включенного между входными зажимами усилителя и сеткой) и временем задержки волны при прохождении ею участка анодной линии между лампой и нагрузкой. Поскольку время задержки звеньев сеточной и анодной линий выбирается одинаковым, прямые волны от всех ламп в полезной нагрузке оказываются синфазными и арифметически складываются.

Напряжение, создаваемое на нагрузке R_н каждой лампой, в первом приближении равно

откуда суммарное напряжение на нагрузке

где I - анодный ток каждой лампы; S - крутизна каждой лампы; ρ_а - волновое сопротивление анодной линии; i - номер лампы; n - число ламп.

Обратные волны от всех ламп складываются в различной фазе. Однако эти волны поглотятся в сопротивлении R_б и не будут влиять на напряжение U_н. Поэтому напряжение на полезной нагрузке оказывается весьма постоянным в широком диапазоне частот вплоть до граничной частоты звеньев линии f_га.

Выше граничной частоты линии обладают фильтрующими свойствами, так что выходное напряжение при частотах, превышающих f_га, быстро уменьшается, стремясь к нулю.

Упрощенное выражение (1) показывает, что выходное напряжение усилителя, а следовательно, и коэффициент усиления растут пропорционально числу ламп, так как волновое сопротивление анодной линии определяется выходной емкостью только одной лампы и не зависит от их числа. Следовательно, подключение анодов и сеток ламп к отводам искусственных линий позволяет осуществить сложение токов (крутизн) отдельных ламп и разделить их входные и выходные емкости.

Таким образом, в схеме УРУ реализуется сложение коэффициентов усиления отдельных усилительных приборов, так что принципиально при любой полосе частот можно получить коэффициент усиления больше единицы, даже если коэффициент усиления отдельного УП меньше единицы. Это свойство усилителя определило его широкое применение в тех случаях, когда полоса усиливаемых частот составляет несколько сотен мегагерц.

Однако целый ряд других ценных свойств усилителя, о которых речь пойдет ниже, делает целесообразным применение его при полосах частот порядка нескольких десятков мегагерц.

Наряду с простейшей схемой УРУ, приведенной на рис. 1, возможны и другие варианты УРУ, отличающиеся теми или иными схемно-конструктивными признаками, но работающие на принципе сложения мощности на бегущей волне.

В качестве усилительных приборов могут быть использованы не только электронные лампы, но и транзисторы [34, 41, 47, 54]; при этом оказываются возможными различные способы включения усилительных приборов. Так, электронные лампы могут быть включены не только по схеме с общим катодом, но и по схеме с общей сеткой или анодом, а транзисторы - по схеме с общим эмиттером, базой или коллектором. Наряду с этим возможно использовать составные усилительные элементы, каждый из которых содержит два или несколько УП [62]. Тип усилительного прибора и способ его включения существенно влияет на свойства УРУ и его анализ.

По типу элементов, из которых составлены линии, различают УРУ на звеньях L - C фильтров и на отрезках линий с распределенными постоянными. При этом в первом случае могут быть использованы как фильтры нижних частот (ФНЧ), так и полосовые фильтры, а во втором - отрезки однопроводных, двухпроводных или коаксиальных линий [26 и 46]. В области дециметровых волн линии УРУ могут быть построены по принципу замедляющих систем [11].

Несмотря на указанное разнообразие типов УРУ, оказывается возможным построение обобщенной схемы усилителя, которая охватывает весьма широкий класс УРУ, нашедших практическое применение. Такая схема имеет вид, представленный на рис. 2.

Рис. 2. Обобщенная блок-схема УРУ

При анализе УРУ его схему целесообразно разбивать на отдельные секции, под которыми понимается совокупность усилительного элемента с примыкающими участками выходной и входной линий (рис. 2). Одну и ту же схему УРУ возможно разбить на секции несколькими способами, и выбирается такой способ разбиения, при котором оказывается наиболее простым анализ усилителя. Наряду с основными секциями в усилителе могут быть особо выделены пассивные согласующие секции (рис. 2), соединяющие усилитель с нагрузками.

Линии усилителя могут состоять или из одинаковых звеньев (четырехполюсников) или из неодинаковых (как по структуре, так и по параметрам). В первом случае линии УРУ называются однородными, а во втором - неоднородными. Применение неоднородных линий позволяет обеспечить существенное улучшение некоторых показателей УРУ.

Как и другие типы широкополосных усилителей, УРУ можно подразделить на широкодиапазонные усилители гармонических сигналов и усилители широкополосных сигналов.

В первом случае усиливаемый сигнал является гармоническим с медленно изменяющейся амплитудой и фазой. Спектр такого сигнала сам по себе неширок (ширина спектра значительно меньше несущей частоты и полосы частот УРУ), и широкополосные свойства усилителя требуются для того, чтобы усиливать без перестройки гармонические сигналы, несущая частота которых может изменяться внутри широкого частотного диапазона. Примером таких сигналов являются сигналы, которые используются в широко диапазонных передатчиках.

Во втором случае ширина спектра сигнала соизмерима с шириной полосы усилителя. Примером таких сигналов являются импульсы различной формы, видеосигналы, шумовые и шумоподобные сигналы.

Различие между отмеченными видами УРУ сказывается, например, в подходе к проектированию и испытанию усилителя. Так, анализ и расчет усилителей гармонических сигналов ведется исходя из рассмотрения установившегося режима, а испытание УРУ производится путем подачи на вход одного или нескольких синусоидальных колебаний. В случае же УРУ широкополосных сигналов наибольший интерес представляет рассмотрение переходного режима.

В зависимости от типа нагрузки каскады УРУ подразделяются на каскады усиления напряжения или мощности.

Задача усилителя напряжения заключается в создании определенного напряжения на нагрузке, которая не потребляет мощности (например, входная емкость лампы следующего каскада, пластины электроннолучевой трубки).

Каскад усилителя мощности, напротив, должен обеспечить некоторую мощность в сопротивлении нагрузки, которая имеет активную составляющую (например, антенна, входное сопротивление следующего каскада, работающего с сеточными токами). Усилитель мощности является по существу преобразователем энергии источника питания в энергию выходного сигнала.

Поэтому весьма важным (особенно при мощности, превышающей несколько ватт) является вопрос эффективности преобразования энергии, т. е. к. п. д. усилителя. Необходимость рассмотрения к. п. д. и достижения его высоких значений принципиально отличает усилитель мощности от усилителя напряжения.

По расположению полосы на шкале частот различают полосовые УРУ и УРУ нижних частот. Для первых усилителей полоса лежит в интервале частот f_н ÷ f_в, причем f_н ≠ 0. Полоса УРУ нижних частот примыкает к нулевой частоте (f_н = 0).