§ 3. Методы анализа УРУ и область их применения

При пояснении принципа действия УРУ были приняты некоторые допущения, упрощающие рассмотрение процессов в усилителе. Однако эти допущения являются весьма грубыми и не соответствуют реальным условиям работы. Для определения и оптимизации основных показателей УРУ необходим более детальный анализ его работы с учетом того, что линии усилителя содержат сосредоточенные элементы, лампы обладают наряду с входной и выходной емкостью другими реактивными и активными проводимостями, и с учетом иных факторов.

При анализе маломощных УРУ, работающих с малым уровнем сигнала, основной интерес представляет вопрос о передаче сигнала от входа к выходу (коэффициент передачи, искажение сигнала). В этом случае исследуются только четырехполюсные свойства УРУ. Режим работы каждого отдельного усилительного прибора в силу малости сигнала сам по себе интереса не представляет, так как он практически полностью определяется величиной постоянных напряжений питания, подаваемых на электроды УП. Усилительные приборы при этом могут рассматриваться как линейные элементы.

Для мощных УРУ, к энергетической эффективности которых (например, к. п. д.) предъявляются высокие требования, вопрос о режиме работы отдельных усилительных приборов является очень важным, поскольку высокие энергетические показатели всего УРУ могут быть получены лишь при высокой энергетической эффективности использования отдельных УП. Поэтому при анализе УРУ исследование напряжений и токов отдельных УП так же важно, как и входных и выходных напряжений и токов УРУ. Следовательно, при анализе мощного УРУ наряду с выделением входных и выходных полюсов необходимо выделять и полюса, соответствующие электродам УП.

Кроме того, для мощных УРУ в силу большой величины сигнала приходится считаться с нелинейными свойствами УП. При этом нелинейные свойства УП не только определяют искажение усиливаемых сигналов, но используются для эффективного улучшения энергетических показателей.

Прямые методы анализа УРУ, основанные на непосредственном применении законов Кирхгофа, оказываются чрезвычайно громоздкими, поскольку в схеме УРУ содержится много узлов и независимых контуров. В связи с этим для анализа УРУ используются косвенные методы, основными из которых являются метод многополюсника [5, 24, 26] и метод автономных четырехполюсников [5 и 23].

Применение метода многополюсника оказывается оправданным лишь в том случае, когда между входной и выходной линиями имеется связь, в частности для анализа устойчивости УРУ при учете проходных проводимостей УП [26, 27, 30].

В случае ламповых усилителей на тетродах или пентодах оказывается возможным пренебречь проходной проводимостью УП и для анализа УРУ целесообразно использовать метод четырехполюсников. При этом эквивалентная схема УП может быть представлена в виде, приведенном на рис. 4, а. Если учесть эту эквивалентную схему УП, то обобщенная блок-схема УРУ существенно упростится и примет вид, изображенный на рис. 5. В полученной блок-схеме проводимости Ẏ₁₁ и Ẏ₂₂ усилительных приборов отнесены к четырехполюсникам соответственно входной и выходной линий.

Рис. 4. Эквивалентная схема усилительного прибора без проходной проводимости: а - в линейном режиме; б - в нелинейном режиме

Рис. 5. Упрощенная блок-схема УРУ

Анализ такой схемы начинается с анализа процессов во входной линии, представляющей собой каскадное соединение четырехполюсников, и нахождению напряжений U̇_gi на входных зажимах УП по известному U̇_вх. Эти напряжения зависят только от параметров четырехполюсников входной линии и проводимости Ẏ₁₁ усилительных приборов и не зависят от процессов, происходящих в выходной линии. По найденным U̇_gi и известным параметрам УП можно найти токи генераторов İ_i, возбуждающих выходную линию.

Далее определяются напряжения и токи на различных участках выходной линии по известным параметрам ее четырехполюсников и по токам генераторов İ_i.

Таким образом, при использовании рассмотренного метода приходится решать две самостоятельные задачи о каскадном соединении пассивных четырехполюсников (для входной линии) и активных (с учетом генераторов тока İ_i) автономных четырехполюсников (для выходной линии). Методы решения подобных задач в настоящее время хорошо разработаны [5, 23].

Значительно упрощается в этом случае и анализ процессов в УРУ с учетом нелинейности характеристик УП. Так, в предположении периодичности всех напряжений и токов в схеме УРУ при учете нелинейности характеристик УП в эквивалентной схеме выходной линии следует заменить каждый из генераторов тока параллельным соединением генераторов тока всех гармонических составляющих (рис. 4, б). К полученной таким образом эквивалентной схеме выходной линии в силу известной теоремы компенсации [5] применим принцип суперпозиции, так что напряжение и ток в любом участке выходной линии могут быть найдены как результат наложения воздействий от каждого из токов.

Амплитуда и фаза каждого из токов в общем случае зависят не только от напряжения на входе УП, но и от напряжения на его выходных зажимах. В результате этого нахождение амплитуды и фаз токов гармонических составляющих даже при учете только конечного числа гармоник оказывается чрезвычайно громоздким. Однако для пентодов и тетродов в области недонапряженного режима мгновенные значения анодного тока (а следовательно, амплитуды и фазы генераторов тока гармонических составляющих) можно считать независимыми от напряжений на их анодах. В этом случае амплитуды и фазы генераторов тока являются функциями только напряжений между первой сеткой и катодом лампы и могут быть найдены достаточно просто.

Таким образом, метод четырехполюсников оказывается наиболее удобным методом анализа УРУ в том случае, когда можно пренебречь проходными проводимостями усилительных приборов и другими элементами связи между входной и выходной линиями УРУ. В ряде важных случаев он позволяет провести анализ УРУ и в режиме больших сигналов, т. е. с учетом нелинейности характеристик УП.

Этот метод принят в качестве основного в настоящей работе.