книги / Радиоприемные устройства.-1

противление потерь, р - волновое сопротивление контура, то Д<2 = ~(р Дг)/г2

или &Q/Q » —Дг/г и ДЯ//7* Дг/г

Таким образом, основное влияние на полосу пропускания контура в оди­ ночном каскаде оказывает изменение его активного сопротвления г, которое обусловлено в основном вносимым со стороны УП активным сопротивлени­ ем. Путем ослабления связи УП с контуром такое изменение можно сделать не превышающим заданной величины.

В случае использования в нагрузке УРС сложных многозвенных фильтру­ ющих систем на изменение их параметров наибольшее влияние оказывают лишь те контуры, с которыми УП связаны непосредственно.

При значительном ослаблении влияния параметров УП на колебательные системы начинают сказываться изменения собственных емкостей и индуктив­ ностей избирательных цепей. Методы стабилизации АЧХ для этого случая сво­ дятся к использованию стойких к внешним воздействиям деталей, жесткого монтажа УРС и т.д.

Отметим, что в многокаскадном тракте, содержащем несколько рассредо­ точенных избирательных цепей, влияние дестабилизирующих факторов на сквозную АЧХуМожет быть различным. При пологой ее форме возможная вза­ имная расстройка пары каскадов приводит к расширению полосы пропуска­ ния. Наоборот, при АЧХ, близкой к прямоугольной, взаимная расстройка спо­ собствует сужению полосы.

Известны следующие методы повышения стабильности усилительного тракта при действии дестабилизирующих факторов: 1) использование стабиль­ ных компонентов, мало чувствительных к влиянию дестабилизирующих фак­ торов; 2) применение принципа компенсации влияния дестабилизирующих факторов, например включение в колебательном контуре дополнительного конденсатора с таким температурным коэффициентом емкости, что при изме­ нении температуры осуществляется взаимная компенсация влияния разных элементов контура на его частоту настройки; 3) ослабление связей нестабиль­ ных компонентов с трактом; 4) использование стабилизирующих линейных отрицательных обратных связей; 5) применение конструктивных мер(герметизации, амортизации) и др.

Самовозбуждение усилителя. Под самовозбуждением усилителя понимают переход его в режим генерации. Нормально функционирующий тракт не дол­ жен работать в режиме генерации или близком к нему, так как в последнем случае возможные изменения параметров тракта могут привести к самовоз­ буждению.

Причиной генерации является положительная обратная связь, сопровож­
дающаяся появлением на входе усилителя, кроме колебания U		lip
		= U e
,	j\p	вх
также колебания U	— U е ос , поступающего с выхода усилителя на его
о . с	О .с

вход по цепи обратной связи. Известно, что необходимыми условиями генера­

ции являются условие баланса фаз					=	, условие баланса амплитуд
Uо- .с-	=	и	вх	.
	=
	Положительная обращая связь может возникать в отдельных каскадах
УРС или в усилителе в цепом. Причинами обратных связей являются:
	1)	магнитные или электрические поля между компонентами УРС вследст-

о

вие несовершенной конструкции; они могут быть предельно ослаблены ра­ циональной конструкцией, разнесением входных и выходных цепей каскадов и тракта в целом, экранированием и т.д.;

2) общие цепи питания по постоянному току, приводящие к появлению на импедансах этих цепей для токов высокой частоты (внутренних сопротивле­ ний источника или отдельных участков) высокочастотных колебаний, кото­ рые по общим цепям питания могут поступать с выхода тракта на его вход; эти связи должны быть предельно ослаблены уменьшением соответствующих импедансов путем включения блокировочных емкостей С- у источников E Q , фильтров нижних частот (R С ,) в общих цепях питания (рис. 4 3 );

3) внутренняя обратная связь в УП, причиной которой для полевых тран­ зисторов в схеме с общим истоком является проходная емкость С3с (см. рис. 2.15), для электронных ламп в схеме с общим катодом — проходная ем­ кость Са с , для биполярных транзисторов в схеме с общей базой —емкость коллекторного перехода Ск б и т.д.

Рассмотрим последнюю причину самовозбуждения, так как она характер­ на для всех видов УРС и УП. При проектировании УРС влияние внутренней об­ ратной связи в УП должно быть ослаблено до допустимой величины. Приведем краткие сведения о методах исследования устойчивости усилительных трак­ тов, проиллюстрированные на примере невзаимного УП.

Методы исследования устойчивости усилителей радиосигналов. Эти мето­ ды основаны на применении результатов теории устойчивости электрорадио­ цепей. Однако специфика моделей УРС делает ряд известных методов неэф­ фективными. Так, при использовании методов, основанных на частотных кри­ териях Найквиста, Найквиста—Боде, возникают трудности, связанные с необ­ ходимостью разделения (в особенности экспериментального) цепей прямой передачи и обратной связи, а также в случае усилителя с "отрицательным” со­ противлением. Усложнение модели анализируемого тракта на высоких часто­ тах из-за необходимости учета паразитных ZC-цепей, а также усложнения уси­ лительных структур (усилители типа активных фильтров) затрудняет исполь­ зование метода прямого поиска корней характеристического уравнения и условия устойчивости Гурвица. Это обусловлено снижением точности исследо­ вания характеристического уравнения высокого порядка, определяющего по­ ложение корней на комплексной плоскости.

Широкое применение в УРС находит метод, основанный на иммитансном

РиС'4Д

критерии (иммитанс — обобщенное понятие, объединяющее понятия импе­ данс (полное комплексное сопротивление) и адмитанс (полная комплексная проводимость)). При его использовании модель исследуемого тракта пред­ ставляется в виде эквивалентного активного четырехполюсника, а также двух комплексных проводимостей — источника сигнала Уг = + jBT и нагрузки У, = GH + jBH (см. рис. 4 2 ) .

В общем случае в соответствии с этим методом проводится исследование частотных характеристик иммитанса W (/со) в сечении на входе или выходе четырехполюсника. Если хотя бы на одной частоте во всем диапазоне 0 < со <

<оо удовлетворяются условия:
Re[W(/co) ] < 0;	(4Л)
bn[W (jco)] = 0 ,	(42)

т. е. иммитанс считается чисто активным и отрицательным, то исследуемое устройство является неустойчивым и переходит в режим генерации.

На не очень высоких частотах многие УП работают устойчиво при корот­ ком замыкании на входе или выходе. Поэтому в качестве исследуемого имми­ танса целесообразно выбрать полную проводимость У(/со); четырехполюсник при этом должен описываться системой У-параметров (см. рис. 4.2). Приме­ нительно к последней схеме проводится исследование условий (4.1), (4.2)

для проводимости		У, 0 со) :
	Гг + Увх		(43)
или проводимости		Y2 0'со) : У2 =	Увых + Ун
	При дальнейшем исследовании устойчивости УРС рассмотрим полную про­
водимость (4.3) в сечении на входе УП.
	Исследование усилителя на невзаимном УП. Выражение для полной вход­
ной проводимости усилителя (2.37) можно записать следующим образом:
			(4.4)
	У У
	2 1 1 12
щ е АУ =
“	вх
	22

Если в УП отсутствует внутренняя обратная связь (ВОС), т.е. У1г = 0, то Увх = У, j и не зависит от проводимости нагрузки. Если У Ф 0, то в зависи­

мости от вида УП, нагрузки и частоты влияние Л YBX на Увх может быть раз­

личным. Однако нетрудно видеть, что чем меньше величина Л Увх сравнитель­ но с У , тем слабее влияние ВОС на работу усилителя. Действительно, пусть изменение ДУвх достигается путем изменения величины связи выходного ко­

лебательного контура и УП (рис. 4.4). Для слабой связи (когда отвод	а	на­
ходится ближе к низшему выводу катущки L2) значение Уя велико и	изме­
нение входной проводимости ДУвх в соответствии с (4.4) близко к нулю.		В

этом случае влияние ВОС будет мало', так как мал коэффициент усиления УП (см. (2.36)) и, следовательно, мал коэффициент передачи по петле ВОС. Бели связь контура с УП увеличить,повысив тем самым коэффициент усиления УП,

то влияние ВОС возрастет, а ЛУвх увеличится. Следовательно,									изменение
ДУвх качеств дано характеризует влияние ВОС, при этом для ДУвх =										0 усили­
тель абсолютно устойчив, так как обратная связь не проявляется.
Введем обозначение —Д. У>х = AgB + /Д 6вх .Можно								показать,		что	для
схем, приведенных на рис. 4.2 или рисГ^.4:
	£ Xи		II	С „ ( 1 4 4 2) * ( * , * ) ;
	4										(45)
	дъ		=	|Г „	т „1	Г(Ф,<Р),					(4.6)
				С „ ( 1 4 4 , )
		ВХ
	II	G					cos\p + tgi^sint//
				* = “ 8( Г М					;	1W ) “
							1	+ tg2(р
		ю
	sin 1/ — tgi^cosi//					B 2 2 + Bn
				;	tg>fi =
		1 + tg*v?				G 22 +
Проводимости Д£вх (4.5) и Д6ВХ (4.6) включены параллельно									Уг ,		т. е.
входному контуру в схеме УРЧ (см. рис. 4,4). Поэтому								исследуем		влияние
Д£вх и А\ х			на его характеристики.
функции X				в (45) и У в (4.6) слоимым образом зависят от параметров
<Р,Л2 , G22 , Y.k и У , поэтому Agax и Д6вх зависят от частоты									и	могут
иметь различные знаки: Ag						-it О, ДЬв%	0. В результате происходит изме­
нение комплексной проводимости Ух ,							что приводит к	следующим явлени­
ям:
1)	из-за Д			Ф 0 изменяется эквивалентная реактивная проводимость
	Ьп[У,] ~ Вт *В ц + ^ в х >									(4 -7>
2)	из-за Д?вх Ф 0 изменяется эквивалентная активная проводимость
	М	1' , ] = с г . с			11. д г,						(4®
где У. -		С	+ jBT , У ^ = С п + /В —составляющие комплексных прово­

димостей соответственно YT и Y

Таким образом, наличие ВОС в УП оказывает следующее влияние на вход­ ной контур: расстраивает его , так как изменяется эквивалентная реактивная проводимость (4.7), и изменяет сопротивление потерь, так как изменяется эк­ вивалентная активная проводимость (4.8). Вследствие этого наблюдается де­ формация резонансной характеристики входного контура из-за влияния ВОС в УП. Если на одной из частот со* Re[Y (jсо*) ] < 0, a Im[ Y %(Jсо*) ] = 0, то на этой частоте в соответствии с (4.1), (4.2; возникнет Генерация, так как потери в контуре будут полностью скомпенсированы. Компенсация потерь в контуре называется регенерацией потерь.

По мере возрастания усиления каскада (см. рис. 4.4) ВОС проявляется в большей степени и увеличивается изменение ДУВХ • В результате происходит большая деформация резонансной характеристики входного контура. Это вид­ но из рис. 4.5, где параметром семейства характеристик является коэффици­ ент связи выходного контура с УП (л ) . По мере увеличения усиления каскад приближается к границе самовозбуждения. Последнее наступает скачком при

росте коэффициента усиления УРС сверх некоторого значения						, называ­
емого предельным коэффициентом усиления.
Введем меру (критерий) устойчивости усилителя, которую назовем ко­
эффициентом устойчивости:
			вхшах1			(4.9)
	* у =	1 -
			°т + *П
где G	—трансформированная в сечение 11 активная проводимость входного
колебательного			контура с учетом шунтирующего действия источника сигна­
ла; Д£вхтах		-	максимальная величина AgBX в рабочем диапазоне УРС.
Как видно из (4.9), величина |Агу					связана с относительным изменением
проводимости на входе УП, обусловленным влиянием ВОС. Из						(4.9) следует,
что при Д£вхш х = 0 значение k y =				1 (случай абсолютной устойчивости); при
[Д #В Х ”	0 значение кУ < 1 . При G^			+	GЛ* - Д я и л = 0 полная	проводимость

на входе УП оказывается равной нулю и ку = 0. Таким образом, к					изменя­
ется в пределах от 0 до 1; чем ближе		ку к 1, тем выше устойчивость УРС.
Используя (4.5), можно получить выражение
			sin 2 ф		(4.10)
ку	1 с п G ^ a + A j d	+ A j	2 ( 1 — cos^//) '
где A t -	G jG n -, А 2 - G JG 22
Если обеспечить неравенство			«	1, то	незави­
	2 G 1 1 g 2 2 ( i ‘m 1) < i + '4 2 )
симо от угла ф величина Ку будет близка к 1, усилитель будет				устойчив, а

форма его резонансной характеристики будет мало отличаться от случая, ког­

	да ВОС отсутствует. Поэтому коэффициент устойчивости может				быть оценен
	как
	_	_	j W	_	(4.11)
	ky 1	2GU C22(1 + ^ 1)(1 + ^ 2)
	Выражение (4.11) связывает оценку (меру) устойчивости^				с параметра­

ми усилителя и является основанием для расчетов усилителей с заданной устойчивостью. Как следует из (4.11), устойчивость УРС будет тем больше, чем меньше модуль произведения |У21 У121и больше относительные величины = Gr/G n и Л 2 = С?н/С 22 *Последние зависят от связи УП с источником сигнала и нагрузкой. Следует заметить, что обе связи на входе и выходе УП одинаково влияют на ку . Физически это объясняется тем, что связь на входе воздействует на коэффициент передачи обратной связи /3 , в то время как связ^ на выходе - на коэффициент усиления К Петлевая передача Кп = = ||ЗА"|, от величины которой зависит устойчивость, в равной мере определяет­

ся связью на входе и на выходе УП.

Приведем пример расчета величины предельного коэффициента усиления ^ 0пред для усилителя на полевом транзисторе, на входе и выходе которого включены колебательные контуры с комплексными проводимостями YT и Ун соответственно (рис. 4.6). Эти про­

водимости можно найти следующим образом:

		+/$!	1+ /*2		(4.12)
		R	Ун =
			э2
Ше R 3j				гы
	- резонансные сопротивления контуров; £ = — Q^ - обобщенная расстройка.
				Л>	= YT +
Полная проводимость в сечении 11 (см. рис. 4.6), т. е. на входе УП, равна
	Y	Y
	J 2 l J l2			YT + YXI эквивалентной проводимостью
+ уи -	Y	. Заменяя проводимость
		+ Y
	J22
колебательной системы на входе, a Y22 + Ун				- проводимостью колебательной	системы

К-	1	YH
	У П	I
	1	I

Рис. 4.6

на выходе УП и выражая У1 2 как Y. ~ **jooC , где С

- емкость между затвором и сто-

1 *

з.с

з.с

ком транзистора, получаем

1+ ;^1

;С0Сз.сУ21

. Полагая для простоты

У г— i н —

Y ^ =

э1

1+j*

1+2 / М 2- / ^ С сГ21^

= -------- и считая У0 , не зависящей от частоты,

находим

У -------------------------------------

« ,

1

1

Лэ(1+ /|)

Условия самовозбуждения (4.1) и (4.2) для рассматриваемого случая имеют вид:

Re[y,]= (1- ^ +

| ( 2?-ад.С з с У21Л^))/Лэ(1 + | 2) = 0;

(4.13)

Im[ Y J =

+ f3-

ы .С з сУ21Лз )/Л э (1 + 12) = 0 .

(4.14)

Из (4.13), (4.14) следует,что обоим равенствам удовлетворяет условие £ =

- 1

при У21<

< 0. Подставляя последнее значение в (4.14), получаем

| У,

2

2

2,Г211

Но

произве-

I R

= ---------

1

cowC

*з . с

1У2 1 1>^Э» Тог­

дение |У2 1 1Яэ представляет собой усиление каскада по напряжению К*0

=

да предельный коэффициент усиления ^ 0пред»соответствующий переходу

в режим ге­

нерации, имеет вид

К.Опред

/ i j

v

(4.15)

а) , с

з.с

*

Выражение (4.15) показывает, что с ростом частоты и проходной емкости УП вели­

чина предельного усиления гадает.

Очевидно, что реализуемое в каскаде рабочее усиление не должно превы­

шать предельное, т. е.

должно выполняться неравенство: Л*о

_ <

Возникает вопрос, насколько может быть

близок реализуемый в УРС коэф­

фициент усиления к предельному

(см. (4.15)). Как следует из рис. 4.5, такая

близость приводит к деформации резонансной характеристики (изменению / 0 и полосы If) контура на входе (если сравнить с отсутствием влияния ВОС) и усиленцю влияния дестабилизирующих факторов, изменяющих формы АЧХ.

Введем понятие коэффициента устойчивого усиления K QycT как резонанс­ ного коэффициента усиления УРС, соответствующего допустимой (обычно ма­ лой —порядка 1020%) деформации резонансной характеристики контура на входе УРС. Для расчета режима устойчивого усиления следует провести норми­ рование величины коэффициента устойчивости к , т. е. связать ее с допусти­ мой деформацией резонансной характеристики. ^Гакое нормирование обычно

выполняется для конкретных УП, вида нагрузки (например, колебательного контура, системы контуров и тд .), диапазона частот. В процессе нормирова­ ния рассчитываются резонансные характеристики и оцениваются значения к , соответствующие допустимой ее деформации. В результате нормирования по­

лучены следующие значения к : для УРС на биполярных транзисторах к			«
«	0,7—0,8; для УРС на полевых транзисторах и	электронных лампах к	«
«	0,8- 0,9 ит.д.	У
	По определенной таким образом величине к у	в соответствии с (4.11)

можно найти А ^ и Л 2 , т. е. величины связей УП с источником сигнала и на­ грузкой. Так как одно уравнение (4.11) содержит две переменные, то реше­ ние поставленной задачи допускает бесчисленное множество вариантов.

Методы повышения устойчивости УРС на невзаимных УП. Из (4.4) и (4.10) следует, что устойчивое усиление, соответствующее малой величине ДУвх , обеспечивается: 1) уменьшением параметра обратной передачи |У121; 2) ослаблением связей УП с источником сигнала и нагрузкой.

На устойчивость усиления оказывает влияние также и параметр прямой передачи IY | , однако его уменьшение нельзя признать рациональным, так как это означает недоиспользование усилительных способностей УП.

Рассмотрим кратко особенности методов повышения устойчивости УРС. Управление параметром \Yl2 \осуществляется при использовании высоко­ частотных УП с малой проводимостью обратной передачи. Однако из-за кон­ структивных, технологических и физических ограничений (рассеивание задан­ ной мощности без повреждения УП) существуют ограничения на значения параметров моделей УП (см. рис. 2.15), определяющих |У12 1Дак, для бипо­ лярных транзисторов Ск б не может составлять менее десятых долей пикофа­ рад и т.д. Поэтому используются схемотехнические методы повышения устой­ чивости — уменьшение влияния и нейтрализации параметра Y12 УП, а также

выбор связей колебательных контуров с его входом и выходом.

Метод нейтрализации основан на создании дополнительной электрической цепи **выход-входЛ УП с целью компенсации колебания, проходящего с выхо­ да на вход через цепь ЮС. Несмотря на возможность существенного ослабле­ ния влияния ЮС, нейтрализация не нашла широкого применения в технике ра­ диоприема по следующим причинам: а) из-за необходимости индивидуальной регулировки цепи нейтрализации в каждом каскаде, что обусловлено разбро­ сом Y УП; б) вследствие трудностей нейтрализации ВОС в широкой полосе частот; в) из-за влияния дестабилизирующих факторов на У12 УП, в резуль­ тате чего нейтрализация нарушается в зависимости от температуры, напряже­ ния питания, при смене УП во время ремонта и т.д.

Поэтому на практике используют два метода повышения устойчивости: 1) создание эквивалентного УП (ЭУП) с малой проводимостью У12э путем соединения нескольких УП (см. рис. 4.7); 2) ослабление связей УП с источни­ ком сигнала и нагрузкой в соответствии с (4.11) .

Первый метод основан на поиске соединений / УП (например, однотип­

ных),	а также их схем включения с целью получения У12э « Y 2i , где
Y ^ f .	—параметр Y 2 каждого прибора. Задача допускает множество решет

нии, из которых выбирают наиболее удачные. Так, из девяти возможных схем соединения двух трехполюсников вида биполярных или полевых транзисто­ ров, электровакуумных триодов наилучшие результаты дают соединения: для

биполярных транзисторов — ОЭ-ОБ (рис. 4.7, а) ; для полевых —ОИ—0 3 (рис. 4.7, 6) ; для вакуумных триодов. - ОК-ОС (рис. 4.7, в) . Усилители с включением УП по типу, показанному на рис. 4.7, называю! каскодными. К их достоинствам относятся отсутствие необходимости в нейтрализации ВОС и какой-либо регулировки, устойчивая работа в широком диапазоне частот (усилительная способность и другие характеристики каскодных УРС рассмот­ рены в § 4.4).

Второй метод предполагает такой выбор связей УП с контурами (см. (4.11)), который удовлетворяет заданной допустимой величине деформации резонансной характеристики входного контура. Физический смысл достижения устойчивости в этом случае заключается в уменьшении усиления УРС и коэф­ фициента передачи цепи ВОС, вследствие чего влияние передачи энергии по петле обратной связи на работу УРС оказывается малым. Усилитель, для кото­ рого влиянием параметра Y УП можно пренебречь, называют развязанным99

или "квазиразвязанным99УРС.

4 3 . Обобщенный анализ усилителя радиосигналов на невзаимных усилительных приборах

4.3.1. Максимальный коэффициент усиления усилителя радиосигналов

Рассмотрим каскад "развязанного” УРС, модель которого в общем случае содержит: источник сигнала с проводимостью Уг , нагрузку с проводимостью Y и УП, характеризуемый в режиме малого сигнала ^-параметрами (рис.4.8). Исследуем основные характеристики каскада: усилительные свойства, спосо­ бы их улучшения, а также избирательные свойства и методы управления ими.

Воспользуемся общей системой уравнений активного четырехполюсника

(2.35) . Для режима "развязанного”					УРС Y	= 0. Следовательно, система
(2.35) может быть записана в виде:
I = Y	U ;	1 - Y	U	+ Y	U .	(4.16)
* 1	1 1 1 *	2	21	1	22 2

Построим формальную модель УП (рис. 4.9), соответствующую системе (4.16). Первое уравнение системы соответствует закону Ома для цепи с про­ водимостью Y j . Второе уравнение отражает суммирование двух токов: одно­ го —определяемого по закону Ома для цепи с проводимостью Y 22, второго — представляемого эквивалентным генератором тока Y2l Ux

Найдем усиление каскада по мощности. Оно в первую очередь определяет­ ся свойствами УП, т. е. матрицей параметров ЦУ|| эквивалентного четырех­ полюсника, а также условиями передачи мощности в сечениях 11 и 22 соот­ ветственно от источника сигнала на вход УП и от УП в нагрузку. Получение максимальной передачи по мощности в указанных сечениях достигается со­ гласованием в них соответствующих иммитансов.

Если ввести в рассмотрение активную и реактивную составляющие Y ,

YH• Yik >т-е- уг = G T + >Вт• Yn = G« + К • Yik = Gik + %	>™ условия со-
гласования имеют вид:
для сечения 11
5 11+ Вг = 0 ,	(4.17)
	(4.18)
для сечения 22

В 22 + В « =		0 >	(4.19)
			(4.20)
G H = С 22	*

т. е. сумма реактивных составляющих согласуемых проводимостей в сечени­ ях должна быть равна нулю, а активные составляющие одинаковыми.

Условия (4.17), (4.19) достигаются использованием явления резонанса, в результате чего полная проводимость контура на частоте резонанса не содер­ жит реактивной составляющей. Таким образом, условия (4.17), (4.19) выпол­ няются при настройке входного и выходного контуров УРС на частоту усилива­ емого сигнала.

Условия (4.18), (4.20) получаются путем трансформации активной про­ водимости соответственно от источника сигнала к УП йот нагрузки к УП так,