Файл: Кузьмин, А. А. Маломощные усилители с распределенным усилением.pdf

А. А. КУЗЬМИН

МАЛОМОЩНЫЕ

УСИЛИТЕЛИ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМ УСИЛЕНИЕМ

МОСКВА «СОВЕТСКОЕ РАДИО»

1974

Кузьмин А. А.

К 89 Маломощные усилители с распределенным уси­ лением. М., «Сов. радио», 1974.

224 с. с ил.

Книга посвящена разработке методов анализа и исследованию основных технических характеристик маломощных усилителей с рас­ пределенным усилением на передающих линиях и усилительных эле­ ментах с любой внутренней структурой.

Книга предназначена для инженеров, научных работников и сту­ дентов вузов радиотехнических специальностей.

30404-070

6Ф2.12

046(01)-74

Редакция радиотехнической литературы

© Издательство «Советское радио», 1974 г,

ПРЕДИСЛОВИЕ

Одной из тенденций развития современной радио­ электроники является увеличение быстродействия разра­ батываемой радиоаппаратуры. Одновременно повыша­ ются требования к другим техническим показателям: по­ мехозащищенности, стабильности, надежности и т. д.

Среди устройств с повышенным быстродействием важ­ ное место занимают широкополосные усилители. Весь­ ма перспективным типом широкополосного усили­ теля является усилитель с распределенным усилением, относящийся к классу устройств, работающих по принци­ пу направленного сложения высокочастотных сигналов.

Усилитель с распределенным усилением (УРУ) был предложен в 1936 г. В. Персивалем [1]. В последующие годы вопросы теории, расчета и конструирования лампо­ вых УРУ разрабатывались рядом отечественных и зару­ бежных специалистов и были обобщены в книге Л. Я. Шапиро [41].

Благодаря совокупности таких полезных свойств, как широкополосность, сравнительно малый коэффициент шума и большой динамический диапазон, повышенная надежность, возможность использования в качестве трак­ тового усилителя и т. д., УРУ применяются в различных областях радиоэлектроники: в широкополосной технике связи и телевидения, в наносекундной импульсной и из­ мерительной технике, в экспериментальной технике в области ядерной физики и т. д.

УРУ могут использоваться, например, в качестве входных широкополосных усилителей 'в панорамных ра­ диоприемных устройствах и телевизионных многоканаль­ ных системах для повышения чувствительности широко­ полосных осциллографов и других целей. В последние годы УРУ стали использоваться в широкодиапазонных радиопередатчиках в качестве мощных неперестраиваемых выходных усилителей.

Усилители с распределенным усилением вследствие своих особенностей образуют отдельный класс усилите­ лей. Вопросам теории, расчета и конструирования мощ­ ных УРУ посвящена работа [14], в которой основное вни­ мание уделяется исследованию энергетических процес­ сов и разработке методов повышения энергетической эф­ фективности этих усилителей.

3

В настоящее время возможности практической рей" лизации схемных решений усилителей с распределенным усилением в значительной мере сдерживаются недоста­ точностью расчетно-теоретической базы. В самом деле наиболее разработанные методы расчета схем УРУ осно­ ваны на предположении, что в каскаде используется идеальный усилительный элемент (УЭ) с емкостными выходной и входной проводимостями. Однако современ­ ные усилительные элементы (титано-керамические лампы и высокочастотные транзисторы) обладают частотно-за­ висимыми параметрами, заметными активными составля­ ющими входной и выходной проводимостей и существен­ ной обратной связью, пренебрежение которыми может являться причиной ошибочных заключений и неправиль­ ных рекомендаций. В настоящее время не существует методов расчета схем УРУ с учетом параметров совре­ менных УЭ.

В связи с многообразием областей применения УРУ необходимо анализировать его различные технические характеристики: рабочие коэффициенты передачи в лю­ бом направлении, амплитудно-частотные и фазочастот­ ные характеристики, коэффициенты стоячей волны на­ пряжения, коэффициент шума и т. д. Дополнительно принимая во внимание быстрый прогресс технических показателей высокочастотных транзисторов и возмож­ ность создания транзисторных УРУ с параллельным, последовательным и комбинированным включением вхо­ дов и выходов УЭ в передающие линии, можно сказать, что назрела необходимость разработки единого метода анализа характеристик различных схем УРУ — метода многополюсника, который в настоящее время использу­ ется только для определения коэффициента усиления УРУ с параллельным включением УЭ в передающие ли­ нии.

Необходимость в разработке такого метода, основан­ ного на матричных преобразованиях, подчеркивается возможностью использования электронно-вычислитель­ ной техники для расчета характеристик УРУ. Более того, логически следующий за этапом анализа этап структур­ ного оптимального синтеза УРУ будет полностью бази­ роваться на методе многополюсника и применении ЭЦВМ.

Усилитель с распределенным усилением представляет собой весьма сложное устройство. Анализ его характе­

4

ристик с учетом всех влияющих факторов практически невозможен. Поэтому наиболее целесообразно получить для характеристик УРУ приближенные замкнутые выра­ жения из общих соотношений, выведенных при некото­ рых реальных допущениях, исключающих влияние опре­ деленных факторов. Такой подход (в совокупности с рас­ четами на ЭЦВМ по исходным соотношениям) позволяет анализировать характеристики схемы и приводит к прак­ тическим рекомендациям и методике расчета элементов УРУ, обладающих нужными характеристиками. При этом формулы по возможности должны быть закончены для соответствующего этапа конкретизации рассматри­ ваемого устройства и в конечном счете пригодны для ин­ женерного применения. В литературных источниках по распределенному усилению это требование ввиду слож­ ности анализа УРУ зачастую не соблюдается. Примером могут служить формулы составляющих коэффициента шума, полученные в [4, 41] для редко встречающегося частного случая, когда источник шума сосредоточен на внешних полюсах УЭ, и представленные в незамкнутой форме в виде конечной суммы модулей комплексных функций от характеристических сопротивлений, постоян­ ных распространения, параметров, числа и номера уси­ лительных элементов в каскаде УРУ. В таком виде прак­ тически невозможно использовать эти формулы для ин­ женерных расчетов коэффициента шума в диапазоне ча­ стот даже для указанного частного случая.

Настоящая работа, посвященная основным вопросам теории и расчета однородных маломощных УРУ, прежде всего преследует цель восполнить некоторые пробелы в этой области. Представленный материал является ре­ зультатом обобщения исследований в области распреде­ ленного усиления, которые проводились автором и под его руководством в течение нескольких лет в лаборато­ рии распределенного усиления на кафедре теоретических основ радиотехники Томского института автоматизиро­ ванных систем управления и радиоэлектроники. В осно­ ву анализа работы УРУ положен частотный метод.

В зависимости от степени общности рассматриваемых вопросов книгу можно разделить на три части. В первой части (гл. 1—3) излагаются общетеоретические матери­ алы, обосновывается и излагается метод многополюсни­ ка применительно к УРУ. Во второй части (гл. 5, 6, ча­ стично 4 и 9) выводятся и анализируются формулы ра-

5

Г л а в а 1

О Б Щ И Е С В Е Д Е Н И Я О Б У С И Л И Т Е Л Я Х С Р А С П Р Е Д Е Л Е Н Н Ы М У С И Л Е Н И Е М

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 це­ пей коррекции и усилительных элементов (УЭ) с повы­ шенным коэффициентом качества может увеличить ко­ эффициент усиления. Однако при достаточно широкой полосе пропускания коэффициент усиления одного каска­ да усилителя неизбежно оказывается близким к едини­ це. При этом каскадный принцип построения широкопо­ лосных усилителей, когда коэффициент усиления всего усилителя определяется произведением коэффициентов усиления входящих в него каскадов, становится неэффек­ тивным.

Увеличение коэффициента усиления при широкой по­ лосе частот может быть достигнуто применением каска­ да УРУ, содержащего несколько усилительных элемен­ тов, включенных входными и выходными электродами в искусственные длинные линии, называемые передаю­ щими. Межэлектродные емкости УЭ, входящие в состав передающих линий (ПЛ), по-прежнему ограничивают при заданной полосе частот коэффициент усиления от­ дельных УЭ. Однако благодаря их распределенному включению в линии коэффициент усиления каскада опре­ деляется суммой коэффициентов усиления усилительных элементов. Поэтому усиление одного каскада, достаточ­ ное для последующего каскадного включения, в идеаль­ ном 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 п, подключены соответственно к входной и выходной однородным передающим линиям, состоящим из фильтров нижних частот (ФНЧ) типа k с постоянными распространения Yi.2 = cti,2+ /p i,2,

7

печивает в них режим бегущей волны. Конденсаторы Ср и Сб выпол­

няют роль соответственно разделительных и блокировочных элементов.

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

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

фильтров выходной линии.

Напряжение на выходе каскада от действия всех ламп пред­ ставляет собой сумму

п

Edei — S ^пыхЛfc=l

Из приведенных соотношений видно, что при одинаковых фазовых постоянных Pi и р2 в диапазоне частот (P i= p 2=P) амплитуды на­ пряжений Uвыхк не зависят от номера рассматриваемой лампы:

^выхн — — 0,5sw2e~,n$E/2,

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

KE = 2Um /E = — 0,5swtn e r № .

Напряжение на балластной нагрузке R 2 представляет собой сумму

комплексных амплитуд напряжений с различными фазами. При пол-

а

Мом согласовании это напряжение не влияет на работу каскада

Таким образом, каскад усилителя с распределенным усилением реализует сложение коэффициентов усиления отдельных усилительных элементов без сложения межэлектродных емкостей, что и обеспечи­ вает увеличение коэффициента усиления при сохранении полосы про­ пускания. Полоса пропускания каскада определяется частотой среза ФНЧ, обратно пропорциональной волновым сопротивлениям и емко­ стям Cl,2.

Несмотря на большое разнообразие схем УРУ мож­ но построить обобщенную структурную схему каскада (рис. 1.2). Он состоит из цепочечного соединения основных и согласующих секций. Основная секция представляет

Рис. 1.2. Обобщенная структурная схема каскада УРУ.

собой усилительный элемент с примыкающими к нему фильтрами передающих линий. Согласующие секции со­ стоят из двух четырехполюсников, обеспечивающих со­ гласование ПЛ с нагрузочными сопротивлениями Zi_4. При достаточно хорошем согласовании фильтров с на­ грузками согласующие секции могут отсутствовать.

В зависимости от способа включения усилительных элементов в передающие линии секция может иметь ту или иную структуру. Различают параллельное, последо­ вательное, последовательно-параллельное и параллель­ но-последовательное включение усилительных элементов в передающие линии (рис. 1.3). В зависимости от спосо­ ба включения УЭ в передающие линии при его описании удобно пользоваться различными параметрами четырех­ полюсника: у — в параллельной схеме включения, z — в последовательной, h — в последовательно-параллель­ ной, g — в параллельно-последовательной. Поэтому ука-

9