РАДИОЧАСТОТНЫЕ РЕЗОНАНСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

РОМАН ИВАНЮШКИН, к.т.н.
МТУСИ МОСКВА

В нашей рубрике мы уже неоднократно обращались к усилительной схемотехнике. Наконец, пришло время рассмотреть работу радиочастотных усилителей, которые широко используются в радиопередающей и радиоприемной аппаратуре. Достаточно широко распространены резонансные радиочастотные усилители, с которых мы и начнем наше путешествие в мир радиочастотной схемотехники.

Обратимся к принципиальным схемам резонансных усилителей, построенных на разных усилительных приборах — электронной лампе пентоде, биполярном и полевом транзисторах. Эти схемы приведены на

рис. 1.,

рис. 2, и

рис. 3.

Выходные цепи всех этих трех  резонансных усилителей построены по идентичным схемам. Нагрузкой выходной цепи является колебательный контур Lк Ск, настроенный  в резонанс на частоты усиливаемого сигнала, и подключенного к полезной нагрузке (следующему каскаду усиления, детектору приемника, антенно-фидерному тракту передатчика и т.п.) при помощи катушки связи Lсв, обеспечивающей также согласование по сопротивлению выходной цепи каскада с нагрузкой. На резонансной частоте колебательный контур обладает большим сопротивлением для переменного тока, а на других частотах — относительно маленьким. Поэтому даже при сложной форме выходного тока (например, при работе в режимах с отсечкой тока в мощных каскадах передатчиков),  форму выходного напряжения можно считать гармонической (синусоидальной). Это напряжение падает на колебательном контуре за счет протекания через него переменной составляющей выходного тока, которая возникает в самом усилительном приборе за счет энергии, потребляемой им от источника анодного (коллекторного, стокового) питания. Постоянный ток от плюса источника питания выходной цепи протекает через блокировочный дроссель, катушку колебательного контура и сам усилительный прибор — от выходного электрода (анода, коллектора, стока) к общему электроду (катоду, эмиттеру, истоку) и далее через общий провод к минусу источника питания. Благодаря действию управляющей цепи, анодный (коллекторный, стоковый) ток при прохождении через усилительный элемент начинает изменяться во времени, по закону управляющего напряжения. Таким образом в выходной цепи появляется переменный ток, протекающий от анода (коллектора, стока) через колебательный контур и блокировочный конденсатор Cбл к общему электроду усилительного прибора, образуя замкнутый контур. Таким образом, усилительный элемент является эквивалентным генератором переменного тока. В колебательном контуре в процессе обмена между электрической энергией конденсатора и магнитной энергией катушки, происходящего дважды за период колебаний, возникает контурный ток, величина которого превышает силу внешнего переменного тока выходной цепи в число раз, численно равное нагруженной (с учетом связи с нагрузкой) добротности контура. При этом на резонансной частоте через емкостную и индуктивную ветви контура протекают примерно равные (с учетом омических потерь в этих элементах) переменные токи. Блокировочный конденсатор Сбл создает наикратчайший путь для переменного тока от контура к общему электроду усилительного прибора в обход источника питания. Этот конденсатор должен обладать малым сопротивлением переменному току. Дополнительно, для предотвращения ответвления переменного тока в источник питания, в схему включен блокировочный дроссель Lбл, обладающий  большим сопротивлением переменному току. Источник питания эквивалентен источнику напряжения, а следовательно обладает малым внутренним сопротивлением, благодаря чему сам является хорошим проводником для переменного тока. Однако, допускать протекания переменных токов через провода питания ни в коем случае нельзя, поскольку это может привести к паразитным обратным связям между соседними каскадами усиления, что чревато изменением параметров устройства, самовозбуждением (автогенерацией) и т.п. Включение в схему блокировочных элементов полностью устраняет эту опасность.

Входная (сеточная, базовая, затворная) цепь усилителя служит для управления выходным током по закону входного напряжения. Это напряжение подается от предыдущего каскада через разделительный конденсатор Ср, обеспечивающий гальваническую развязку (т.е. развязку по постоянному току) между входной цепью данного каскада и выходной цепью предыдущего каскада. Входное переменное напряжение оказывается приложенным между входным (управляющей сеткой, базой, затвором) и общим электродами усилительного прибора. Кроме входного напряжения, во входной цепи необходимо установить определенное напряжение смещения, или, как часто говорят, установить «рабочую точку» усилительного прибора. Напряжение смещения выбирается в зависимости от вида проходной характеристики усилительного прибора, а также исходя из необходимого режима его работы. На

рис. 4

показана проходная характеристика электронной лампы. В простейшем случае, при работе в режиме без отсечки выходного тока (что характерно для маломощных радиочастотных усилителей), напряжение смещения или «рабочая точка» выбирается примерно на середине линейного участка этой характеристики, так как это показано на рис. 4. У электронных ламп линейный участок проходной характеристике как правило всегда лежит в области отрицательных напряжений на управляющей сетке, а потому для обеспечения напряжения смещения часто устанавливают специальный выпрямитель смещения  с напряжением обратной полярности по отношению к основному источнику питания (поэтому источник отрицательного смещения часто называют «противо-ЭДС»). Этот выпрямитель обязательно шунтируется резистором (см. рис. 1),  который служит для него нагрузкой, поскольку из-за отрицательной полярности, от этого выпрямителя сеточной цепью лампы ничего не потребляется, ведь ток управляющей сетки может существовать только при положительных значениях напряжения на ней. В случаях когда хоть в какие-нибудь моменты времени напряжение на управляющей сетке оказывается положительным (что возможно при большой амплитуде входного переменного напряжения), возникает ток управляющей сетки. При этом вакуумным диодом сетка — катод лапы происходит выпрямление входного переменного напряжения, благодаря чему от катода к сетке через резистор. Шунтирующий выпрямитель смещения, а также через блокировочный дроссель, протекает постоянная составляющая тока управляющей сетки. Сам выпрямитель смещения не может пропустить постоянного тока, текущего навстречу его выпрямительным элементам, поэтому второй задачей шунтирующего его резистора является создание пути для постоянного тока управляющей сетки в случае его наличия. Назначением блокировочного дросселя в цепи смещения является недопущение закорачивания входного напряжения на источник смещения, обладающий малым сопротивлением переменному току. Поскольку сопротивление блокировочного дросселя конечно, в мощных усилительных каскадах дополнительно включают блокировочный конденсатор, отводящий от источника смещения на общий провод остаток переменного тока, прошедший через конечное сопротивление блокировочного дросселя. Недопущение переменного тока в цепь питания, также как и в выходной цепи связано с необходимостью уменьшения паразитных связей между каскадами через провода питания. В транзисторных усилителях как правило напряжение смещения бывает положительным, что связано с расположением проходных характеристик биполярных и большинства полевых транзисторов в области положительных напряжений на управляющих электродах (базе, затворе). Для создания положительного напряжения смещения совершенно нет необходимости построения дополнительных выпрямителей. Напряжение смещения во входную цепь при этом водится от источника питания выходной цепи при помощи резистивного делителя напряжения, так как это показано на рис. 2. и рис. 3. Назначения блокировочного дросселя аналогичное предыдущему случаю – избежать закорачивания входного напряжения на элементы делителя напряжения и источник питания.

В усилителе, построенном на электронной лампе – пентоде (см. рис. 1), также имеется цепь экранирующей сетки. По переменному току эта сетка должна наикратчайшим путем заземлена, чтобы выполнить свою функцию электростатического экрана между выходной (анодной) и входной (сеточной)  цепями, благодаря чему значительно уменьшается паразитная проходная емкость лампы, вызывающая нежелательную обратную связь, приводящую к самовозбуждению усилителя. С этой целью, экранирующая сетка соединяется с общим проводом при через блокировочный конденсатор достаточно большой емкости, а также на нее через гасящее сопротивление подается положительное напряжение от источника питания.

Падение на колебательном контуре, включенном в выходную цепь усилителя, напряжения только на одной частоте — резонансной, что существенно облегчает фильтрацию полезной составляющей при работе усилительного прибора с отсечкой тока, а также в каскадах преобразования частоты и т.п., является очевидным, но не самым главным преимуществом резонансного построения радиочастотных усилителей. Другим важным преимуществом такого решения является компенсация колебательным контуром паразитной выходной емкости усилительного прибора. Обратимся к

рис 5,

где показана упрощенная эквивалентная схема выходной цепи усилителя. Усилительный элемент здесь заменен эквивалентным генератором тока, а его паразитная выходная емкость включена параллельно полезной нагрузке. Величина выходной емкости у современных радиочастотных усилительных приборов обычно составляет единицы пикофарад, однако на высоких частотах ее сопротивление оказывается соизмеримым с сопротивлением полезной нагрузки, а часто и вовсе становится заметно ниже его. Величина эквивалентной нагрузки выходной цепи усилительного прибора определяется из условия выполнения в этой цепи закона Ома: Iвых = Uвых / Rэкв, откуда Rэкв = Uвых / Iвых. Величина выходного напряжения для ламп и транзисторов различна, что напрямую связано с существенно разными величинами питающих напряжений этих приборов. Напряжения питания ламп составляют от сотен вольт (у старых приемо — усилительных ламп) до десятков киловольт (у генераторных ламп радиопередатчиков), в то время как питающие напряжения транзисторов составляют единицы — десятки вольт. Таким образом, и выходные сопротивления для ламп оказываются существенно большими, нежели чем для транзисторов. При резонансном построении усилителя, выходная емкость усилительно прибора включается в состав параллельного колебательного контура, обладающего большим сопротивлением на частоте резонанса, что устраняет закорачивание переменного тока этой емкостью. На практике с этой целью в качестве контурной емкости устанавливается конденсатор с емкостью меньше расчетной на величину выходной емкости усилительного прибора. Шунтирующее действие паразитной выходной емкости усилительного прибора сказывается гораздо существеннее при большом выходном сопротивлении, когда переменный ток почти весь будет протекать через малое сопротивление этой емкости, а не через большое сопротивление полезной нагрузки, нежели чем при малом. Благодаря этому, резонансное построение радиочастотных усилителей гораздо чаще применяется в ламповой аппаратуре, нежели чем в транзисторной. Также это связано и с недостатком резонансных усилителей — необходимости перестройки колебательного контура при каждой смене рабочей частоты. При необходимости борьбы с шунтирующим действием входной емкости, закорачивающей усилительный прибор по входу, она также может быт включена в состав колебательного контура, который легко получить путем включения дополнительного конденсатора параллельно катушке связи Lсв предыдущего каскада.

В заключение, обратимся к временным диаграммам напряжений токов в цепях резонансного усилителя, показанным на

рис. 6. На рис. 6.а. показана временная диаграмма напряжения во входной (сеточной) цепи, образованного входным переменным и постоянным напряжением источника смещения. На рис. 6.б. показана временная диаграмма напряжения на аноде, образованное за счет постоянного напряжения источника питания и переменного напряжения, падающего а колебательном контуре за счет протекания переменной составляющей выходного тока. Анодное (коллекторное, стоковое) напряжение противофазно входному напряжению, поскольку схема с общим катодом (с общим эмиттером, с общим истоком) является инвертором. Наконец, на рис. 6.в. показана временная диаграмма выходного (анодного) тока, соответствующая случаю работы усилительного прибора в режиме без отсечки тока. Максимум выходного тока совпадает с максимумом входного и минимумом выходного напряжений.

В следующих номерах мы более подробно остановимся на особенностях радиочастотных усилителей, применяющихся в радиопередающих и в радиоприемных устройствах.

Добавить комментарий