Вопросы для самоконтроля знаний:1

1. Перечислите известные вам области применения УГФС. Какие из названных областей, по вашему мнению, являются основными?

2. Воспроизведите структурную схему УГФС. Осмыслите назначение составляющих блоков схемы.

3. Назовите основные характеристики и показатели электрических сигналов, вырабатываемых УГФС. Осмыслите их. Вспомните, что вам известно из других курсов.

4. В чём проявляется воздействие УГФС на экологию? Обоснуйте своё мнение.

5. Как вы понимаете электромагнитную совместимость (ЭМС) линий и систем радиосвязи, радиотехнических комплексов и устройств?

Раздел 1. Генераторы с внешним возбуждением

Лекция 1

Назначение генератора с внешним возбуждением (ГВВ). Классификация ГВВ по режимам: усиление напряжения, усиление мощности, умножение частоты, преобразование частоты. Принципиальная схема, основные элементы, принцип работы ГВВ на электронной лампе и биполярном транзисторе. Амплитудные и фазовые соотношения между сигналами во входной и выходной цепях лампового и транзисторного ГВВ.

Генератор с внешним возбуждением является преобразователем электрической энергии источника, обычно постоянного тока (напряжения), в энергию электрических колебаний высокой частоты f, причём указанное преобразование осуществляется при подаче на управляющий электрод генераторного прибора внешнего высокочастотного сигнала, чаще как напряжения, реже как тока, изменяющегося с частотой. Частота электрических колебаний, вырабатываемых генератором, либо равна частоте внешнего сигнала, то естьf =, либо кратна ей в целое число раз:f = n, гдеn = 2, 3,… , либо отличается на заданную величину<<, то естьf = ±. Соответственно, ГВВ выполняет функции усилителя напряжения или усилителя мощности, когдаf = , умножителя частоты, когдаf = n, преобразователя частоты, когдаf = ±.

Внешний высокочастотный сигнал, подаваемый на управляющий электрод генераторного прибора от некоторого источника, называется сигналом возбуждения, что и обусловило название – генератор с внешним возбуждением (ГВВ). Такие генераторы называют также генераторами с независимым возбуждением, отражая в названии факт независимости возбуждения от самого генератора.²

ГВВ могут быть построены на электронных лампах с электростатическим управлением (в основном, на триодах и тетродах, редко на пентодах), на транзисторах (биполярных и полевых), на приборах с распределённым взаимодействием электронов с электромагнитным полем – приборах СВЧ (ЛБВ, пролётных клистронах, амплитронах).

Наиболее часто радиоспециалисту приходится разрабатывать ГВВ на электронных лампах и транзисторах. Что касается ГВВ на ЛБВ, пролётных клистронах, амплитронах, то здесь задача радиоспециалиста после выбора соответствующего прибора, как правило, сводится к разработке необходимого источника питания.

Поэтому в настоящих лекциях в основном рассматриваются ГВВ на электронных лампах и транзисторах.

Схема и принцип работы ГВВ на электронной лампе и транзисторе

Основными элементами ГВВ на электронной лампе и транзисторе являются: генераторный прибор – лампа или транзистор, именуемый в дальнейшем активным элементом (АЭ); нагрузка в выходной цепи АЭ (в подавляющем большинстве случаев параллельный колебательный контур или родственная ему электрическая цепь); электрические источники питания (анода, сеток, накала в случае ламп; коллектора, базы в случае биполярного транзистора; стока и затвора в случае полевого транзистора); цепь возбуждения.

На рис.1.1 приведены принципиальные схемы ГВВ на электронной лампе – триоде при включении по схеме с общим катодом и на биполярном транзисторе n-p-n типа по схеме с общим эмиттером. При использовании биполярного транзистораp-n-pтипа схема ГВВ имеет аналогичный вид и отличается только полярностью источников питания. В то же время высокочастотные транзисторы, которые для устройств генерирования и формирования сигналов (УГФС) представляют первоочередной интерес, в подавляющем большинстве случаев являются транзисторамиn-p-n типа,³поэтому мы в дальнейшем будем приводить схемы ГВВ применительно к этому типу биполярных транзисторов. Полевые транзисторы также существуют двух типов: с затворомp-типа и с затворомn-типа, что сказывается только на полярности источников питания. Класс биполярных транзисторов для УГФС существенно шире, чем полевых. Достижимые уровни мощности у биполярных транзисторов больше, чем у полевых. В то же время полевые транзисторы работают на более высоких частотах и имеют существенно больший коэффициент усиления по мощности.

Когда говорят о мощности любого электрического генератора, то понимают под нею так называемую активную мощность, выделяемую на активной (резистивной) составляющей сопротивления нагрузки, то есть ту мощность, которая, так или иначе, превращается в тепло. В электрических цепях стараются избегать больших реактивных мощностей и вообще желательно их исключать. В ламповых и транзисторных ГВВ реактивная мощность будет отсутствовать, если в качестве нагрузки используется резистор. Однако в высокочастотных ГВВ трудно, а с ростом частоты вообще невозможно, реализовать нагрузку в виде резистора. Кроме того, как известно из теории усилительных устройств низкой частоты, при использовании резистора в качестве нагрузки лампы или транзистора коэффициент полезного действия (КПД) усилительного каскада оказывается низким, что невыгодно при больших уровнях мощности. Большее значение КПД может быть получено в усилителях низкой частоты по двухтактной схеме с трансформаторным выходом. Хотя и существуют трансформаторы, позволяющие реализовать усилители до частот в несколько десятков и даже сотен мегагерц, но это составляет малую часть диапазона радиочастот, используемого сегодня. Кроме того, далеко не каждая реальная нагрузка генератора может быть эффективно соединена с лампой или транзистором через трансформатор. Поэтому в высокочастотных ГВВ чаще всего в качестве нагрузки АЭ используется настроенный параллельный колебательный контур, представляющий чисто активное сопротивление для выходного тока АЭ, частота которого совпадает с частотой настройки контура. Применение параллельного колебательного контура в качестве нагрузки АЭ позволяет существенно повысить КПД генератора по сравнению с резисторной нагрузкой. Кроме того, параллельный колебательный контур обладает свойством трансформации активной (резистивной) составляющей сопротивления полезной нагрузки генератора, что весьма важно для реализации оптимального режима работы АЭ. На этих вопросах мы остановимся более подробно в лекции 10. Здесь же отметим, что на схемах рис.1.1 параллельный колебательный контур образован элементами (ёмкость контура) и(индуктивность контура). Сопротивления активных потерь в элементах контура, равно как и полезная нагрузка ГВВ, на схемах не показаны, так как для понимания принципа работы ГВВ их отображение на схемах не является необходимым. В ламповом ГВВ не показана также цепь питания накала.

Сигнал возбуждения подаётся от некоторого внешнего источника через высокочастотный трансформатор Трна сетку лампы, базу транзистора. Считаем этот сигнал в виде напряжения, соответственно, и принимаем его в дальнейшем изменяющимся по косинусоидальному закону, то есть

где - амплитуда соответствующего напряжения;- круговая частота входного сигнала;t- текущее время.

На сетку лампы и базу транзистора, кроме напряжения возбуждения , подаётся постоянное напряжениедля выбора рабочей точки, которое называется напряжением смещения. В случае ламп напряжение смещения, как правило, отрицательно относительно катода. В случае биполярных транзисторовn-p-nтипа это напряжение также отрицательно относительно эмиттера, а в случае транзистораp-n-pтипа положительно, хотя может быть и наоборот. Подробно вопрос о выборе напряжения смещения в транзисторных генераторах рассматривается в лекции 6.

Конденсаторы - блокировочные конденсаторы в цепи возбуждения (в цепи сетки, в цепи базы) служат для подачи напряжения возбуждения на катод, эмиттер, минуя источник напряжения смещения. Чем меньше величина сопротивления этих конденсаторов на частоте входного сигнала, тем лучше. Как выбрать ёмкость этих конденсаторов, рассматривается в лекции 13.

Результирующее напряжение между сеткой и катодом, базой и эмиттером в ГВВ при принятых на схемах рис.1.1 направлениях приложенных напряжений согласно второму закону Кирхгофа определяется, соответственно, соотношением:

(1.1)

Определяемое (1.1) напряжение носит название мгновенного напряжения на сетке, базе, соответственно. Максимальное значение мгновенного напряжения:

На рис.1.2 графически представлено изменение мгновенного напряжения согласно (1.1) в обозначениях лампового ГВВ. Помимо указанных выше напряжений, на рис.1.2 отмечено также минимальное значение мгновенного напряжения на сетке:

Аналогично для транзисторного ГВВ:

Поток электронов, исходящий с катода лампы или из эмиттера транзистора⁴и обусловливающий в АЭ токи электродов, распределяется между электродами в зависимости от соотношения напряжений, приложенных к ним. Величина тока в цепи того или другого электрода АЭ может быть определена по семейству статических вольт-амперных характеристик (ВАХ) лампы или транзистора.

На рис.1.3 показаны без привязки к конкретному прибору статические ВАХ электронной лампы при включении по схеме с общим катодом и статические ВАХ биполярного транзистора при включении его по схеме с общим эмиттером. Подобные ВАХ мы найдём в справочниках по генераторным лампам и транзисторам. Отметим, что на приведенных характеристиках - постоянные напряжения между сеткой – катодом; анодом – катодом; базой – эмиттером; коллектором – эмиттером, соответственно.

Задавая напряжения на электродахв случае лампы,в случае транзистора, можно по статическим ВАХ определить соответствующие этим напряжениям токи электродов.

В ГВВ при наличии сигнала возбуждения напряжение на входе АЭ не остаётся постоянным, а изменяется во времени согласно (1.1). Если, например, ось рис.1.2 совместить с осьюрис.1.3, то нетрудно заключить, что в определённые моменты времениtанодный токи сеточный токравны нулю (отсутствуют), а в определённые моменты времениtэти токи отличны от нуля. Очевидно,> 0 при>, где- напряжение отсечки анодного тока (напряжение запирания, зависящее в общем случае от напряжения между анодом и катодом);> 0 при> 0.

Как видно из рис.1.2, результирующее напряжение на входе лампы периодически изменяется, что обусловливает соответствующее периодическое изменение токов электродов ,, которые в общем случае будут носить импульсный характер.

Периодический характер токов позволяет представить их рядом Фурье, то есть в виде суммы постоянной и гармонических составляющих:

где - постоянные составляющие анодного и сеточного токов, соответственно;- амплитуда первой, второй и т.д. гармоники (гармонической составляющей) анодного тока;- амплитуда первой, второй и т.д. гармоники сеточного тока;- начальные фазы соответствующих гармоник токов, которые в общем случае полагаются отличными от нуля.

Для транзистора справедливы аналогичные рассуждения применительно к коллекторному и базовомутокам. В отличие от лампы у биполярного транзистора коллекторный и базовый токи начинаются (прекращаются) при одном и том же напряжении, также называемом напряжением отсечки. Соответственно,> 0,> 0 при>.

Напряжение отсечки анодного тока и напряжение отсечки коллекторного токаявляется одним из важных параметров статических ВАХ лампы и транзистора, соответственно. Еслидля большинства ламп существенно зависит от напряжения питания анода (постоянное напряжение между анодом и катодомна схеме рис.1.1,а),⁵топрактически не зависит от напряжения коллекторного питания (постоянное напряжение между коллектором и эмиттеромна схеме рис.1.1,б). У кремниевых транзисторов величина= (0,4…0,7)В, а у германиевых= (0,2…0,3)В.

Пути протекания составляющих токов электродов АЭ показаны на схемах рис.1.1.⁶Постоянные составляющие токовпротекают через источники питания постоянного напряжения: источник питания анода, источник питания коллектора, источник смещенияили, соответственно; через индуктивность контура; через АЭ – лампу, транзистор. Переменные составляющие токов анода, коллектора замыкаются через блокировочные конденсаторы, соответственно; параллельный колебательный контурлампу (промежуток анод-катод), транзистор (промежуток коллектор-эмиттер), соответственно. Переменные составляющие токов сетки, базы замыкаются через блокировочные конденсаторы, соответственно; источник возбуждения, отображаемый трансформаторомТр; промежуток сетка-катод у лампы, база-эмиттер у транзистора. Блокировочные конденсаторы защищают источники постоянного напряжения от попадания в них переменных токов, предотвращая этим нарушение нормального режима их работы и выделение мощности переменных токов на источниках.

Параллельный колебательный контур может быть настроен на частоту любой гармонической составляющей выходного тока АЭ. При настройке на частоту первой гармоники ГВВ работает в режиме усиления: частота выходного сигнала равна частоте входного; а при настройке на частоту более высокой гармоники (n≥ 2) – в режиме умножения частоты: частота выходного сигнала в целое число раз выше частоты сигнала возбуждения.

Для тока резонансной частоты параллельный колебательный контур оказывает практически наибольшее, причём чисто активного характера сопротивление - эквивалентное сопротивление контура, а для токов других частот контур представляет небольшое сопротивление явно выраженного реактивного характера. Поэтому с достаточным основанием, чтобы не усложнять получаемые результаты и их трактовку, будем считать, что для всех составляющих выходного тока АЭ, кроме той, на частоту которой контур настроен, сопротивление параллельного контураравно нулю.⁷

Падение напряжения на контуре от той гармоники выходного тока АЭ, на частоту которой он настроен, называется колебательным напряжением на контуре . Если контур настроен на первую гармонику выходного тока, то, согласно закону Ома, в случае лампы

в случае транзистора

где - амплитуда колебательного напряжения.

Если контур настроен на высшую гармонику выходного тока, то

В дальнейшем будем считать, что контур настроен на первую гармонику выходного тока. Соответственно ГВВ представляет усилитель напряжения или мощности.⁸

При чисто активном характере сопротивления контура напряжение на контуре совпадает по фазе с выделяемой гармоникой выходного тока АЭ, что учтено в записи приведенных выше выражений для колебательного напряжения. Так как АЭ полагается безинерционным прибором на рабочей частоте, когда токи электродов можно определять, используя статические ВАХ, то, как будет показано ниже, а также в лекции 3, выходной ток АЭ в ГВВ в общем случае представляет импульсы, симметричные относительно периода сигнала возбуждения, что позволяет считать начальные фазы гармонических составляющих выходного токав приведенной ранее записи в виде ряда Фурье равными нулю. Аналогичное утверждение справедливо и для входного тока: тока сетки, тока базы.

Так как по высокой частоте АЭ и контур соединены через конденсаторилипараллельно, то амплитуда переменного напряжения между анодом и катодом лампы, коллектором и эмиттером транзистора практически равна амплитуде колебательного напряжения на контуре в силу того, что сопротивление блокировочных конденсаторов мало для переменных составляющих выходного тока и падением напряжения на конденсаторах можно пренебречь.

На основании второго закона Кирхгофа при принятых на рис.1.1 направлениях напряжений результирующее напряжение между анодом и катодом лампы или между коллектором и эмиттером транзистора в ГВВ определяется соотношениями:

(1.2)

где - соответственно амплитуда переменного напряжения на аноде лампы, коллекторе транзистора, принимаемая равной амплитуде колебательного напряжения на контуре. В дальнейшем для транзисторного генератора с целью сокращения записи и сходства с ламповым генератором принимаем обозначение.

Соотношения (1.2) определяют, соответственно, мгновенное напряжение на аноде (между анодом и катодом) и мгновенное напряжение на коллекторе (между коллектором и эмиттером) в ГВВ – усилителе. Очевидно, подобные соотношения будут справедливы и для ГВВ – умножителя частоты. Отличие будет только в увеличении аргумента косинуса в nраз.

Согласно (1.2) мгновенное напряжение на аноде, коллекторе в ГВВ равно разности напряжений источника питания анода, коллектора ,и колебательного напряжения на контуре.

Минимальное значение напряжения на аноде, коллекторе называется остаточным и равно, соответственно,

На рис.1.4 представлено изменение мгновенного напряжения согласно (1.2) в обозначениях лампового ГВВ.

Сопоставляя рис.1.2 и рис.1.4, видим, что напряжение на аноде изменяется в противофазе с напряжением на сетке. Напряжение на аноде достигает минимального (остаточного) значения , когда напряжение на сетке достигает своего максимального значения. И наоборот, напряжение на аноде достигает своего максимального значения, когда напряжение на сетке достигает минимального значения, то есть максимального отрицательного значения, определяющего максимальную величину так называемого обратного напряжения.⁹Аналогично обстоит дело и в случае транзисторного ГВВ: напряжение на коллекторе минимально, когда напряжение на базе максимально, и наоборот.

Если обратиться к статическим ВАХ рис.1.3 и совместить ось с соответствующей осью рис.1.2, а осьсовместить с соответствующей осью рис.1.4, то нетрудно заключить, что анодный и сеточный токи достигают своих максимальных значений в моменты времени, когда мгновенное напряжение на сетке максимально, а мгновенное напряжение на аноде минимально. Форма изменения каждого тока оказывается симметричной относительно значенийωt = 0; 2π; 4π; и т.д., то есть относительно значенийωt = n 2π, гдеn= 0, 1, 2, … .

Если закоротить контур в выходной цепи АЭ, то в этом случае колебательное напряжение на нём будет отсутствовать, то есть, а мгновенные напряжения на электродах согласно (1.1) и (1.2), например, у лампового генератора определяются соотношениями:

Изменение анодного тока в этом случае будет происходить в пределах изменения напряжения по закону статической ВАХ в системе координат при, а изменение сеточного тока будет происходить в тех же пределах измененияпо закону

статической ВАХ в системе координатпри, что показано на рис.1.5 для случая>.

В системе координат для анодного тока, а в системе координатдля сеточного тока при закороченном контуреизменения токов будут происходить по вертикальным линиям, как показано на рис.1.6.

При наличии настроенного контура оба напряженияизменяются в процессе работы ГВВ, но в каждый момент времени получается своя пара напряжений, определяемых (1.1), (1.2), зная которые, по семейству статических ВАХ можно найти значение соответствующего тока. При этом происходит переход с одной статической ВАХ на другую и получающееся геометрическое место точек, соответствующих мгновенным значениям тока электрода в зависимости от мгновенных значений напряжений на электродах, образует динамическую характеристику тока. Очевидно, при закороченном контурединамическая характеристика анодного (или сеточного) тока в системе координат (или) совпадает с частью статической ВАХ прии осью абсцисс(см. рис.1.5); в системе координат(или) динамическая характеристика анодного (или сеточного) тока представляет отрезок вертикальной прямой, выходящей из точки на оси абсцисси доходящей до статической ВАХ, соответствующей(см. рис.1.6).

Сказанное выше справедливо и для транзисторного ГВВ.

Очевидно, в общем случае, независимо от того закорочен контур или нет, анодный и сеточный токи носят импульсный характер с периодом повторения, определяемым частотой сигнала возбуждения. Импульсы токов можно характеризовать двумя параметрами: максимальным (или амплитудным) значением соответственно анодного тока , сеточного тока, коллекторного тока, базового токаи углом нижней отсечки¹⁰соответственно анодного токаθ, сеточного тока, коллекторного токаθ, базового тока. В случае биполярного транзистора= θ, так как базовый и коллекторный токи начинаются и прекращаются при одном напряжении. В случае лампы< θ. Углом нижней отсечки тока электрода АЭ в ГВВ принято называть половину той доли периода сигнала возбуждения, выраженную в градусах или радианах, в течение которой через электрод протекает ток. Слово «нижний» в определении угла отсечки тока электрода, как видно из рис.1.5, отражает факт отсечки импульсов тока снизу.

Отношение амплитуды переменного напряжения на аноде (или коллекторе) к постоянному напряжению на нём, которое в схемах рис.1.1 равно напряжению источника питания (или), называется коэффициентом использования анодного (коллекторного) напряжения (в литературе обозначается буквой греческого алфавитаξ–кси):

.

В большинстве случаев ξ< 1 (при закороченном контуреξ= 0). Однако, при некоторых режимах возможно получениеξ > 1 благодаря наличию в выходной цепи АЭ высокодобротного параллельного колебательного контура.

Обобщая изложенное выше, можно сказать, что преобразование энергии источника постоянного тока (напряжения или) в энергию высокочастотных электрических колебаний в ГВВ осуществляется с помощью АЭ: лампы или транзистора, играющего роль своеобразного ключа, замыкающего и размыкающего внешнюю для источника питанияилицепь. Управление ключом осуществляется с помощью переменного напряжения, подаваемого от внешнего источника через цепь возбуждения на управляющий электрод АЭ, что обусловливает в выходной цепи АЭ, в общем случае, импульсный ток с частотой управляющего напряжения. С помощью параллельного колебательного контура, размещаемого в выходной цепи АЭ, из выходного тока выделяется составляющая любой частоты, кратной частоте управляющего напряжения.

Подобным образом протекают процессы и в ГВВ – преобразователе частоты, а также при управлении АЭ внешним сигналом в виде тока.¹¹

Очевидно, работа ГВВ возможна и без размыкания внешней цепи, то есть без полного прекращения тока от источника или. Достаточно, чтобы изменялась величина этого тока в соответствии с управляющим напряжением. АЭ в этом случае может рассматриваться как управляемое сопротивление, изменяющее ток в выходной цепи АЭ, из которого с помощью параллельного колебательного контура выделяется составляющая тока с частотой сигнала возбуждения. При таком режиме работы АЭ возможно только усиление сигнала. Однако КПД усилителя в этом случае будет относительно невысоким. Умножение и преобразование частоты при таком режиме работы АЭ может вообще оказаться невозможным.