Ламповый усилитель на сопротивлении

На рис. 5.8 (слайды 95, 35, 36) приведена схема резистивного усилителя на триоде. При отсутствии Uвх в анодной цепи протекает постоянный ток I_А0 - ток покоя. Положительная полуволна входного напряжения вызывает увеличение (в фазе с ней) анодного тока, отрицательная полуволна - уменьшение анодного тока. С ростом анодного тока увеличивается падение напряжения на нагрузке (U_Ra), а анодное напряжение Uа уменьшается:

Uа = Eа - U_Ra

Переменное напряжение на аноде находится в противофазе с напряжением на сетке (рис. 5.8). Коэффициент усиления каскада:

,

S - крутизна характеристики лампы (мА/В).

Для усиления двухполярного входного сигнала без искажений необходимо начальную рабочую точку выбирать на прямолинейном участке характеристики так, чтобы изменения переменного напряжения на сетке не выводили рабочую точку за пределы этого участка.

В большинстве случаев для установки начальной рабочей точки на сетку подается постоянное отрицательное напряжение - напряжение смещения. Напряжение смещения создается одним из способов:

- за счет источника стабилизированного отрицательного напряжения

- за счет катодного автосмещения на ячейке RC;

- за счет сеточного автосмещения.

Для усиления напряжения колебаний низкой частоты помимо резистивных усилителей применяются дроссельные и трансформаторные усилители.

Транзисторный резистивный усилитель

Предназначен для усиления переменных сигналов (рис. 5.9, слайды 96, 37, 38).

Резистор R_Э предназначен для создания обратной отрицательной связи по току. Эмиттерный ток, протекая через R_Э, создает на нем падение напряжения, которое через R₂ изменяет потенциал базы, что обеспечивает температурную компенсацию коллекторного тока, конденсатор С_Э блокирует резистор R_Э по переменной составляющей.

Делитель напряжения R₁ - R₂ обеспечивает необходимое напряжение смещения на базе транзистора.

При подаче на вход положительной полуволны сигнала уменьша­емся ток базы, и следовательно, уменьшается коллекторный ток, при этом напряжение на коллекторе увеличивается; при отрицательной полуволне входного сигнала тока базы, ток коллектора и напряжение на коллекторе изменяются в обратном направлении; выходной сигнал противофазен входному, как и в ламповом резистивном усилителе. Напряжение на коллекторе изменяется по закону:

U_k = E_k - I_k·R_k

Усилители постоянного тока

Предназначены для усиления медленно изменяющихся напряжений и токов (в том числе и нулевой частоты).

А. Двухкаскадный транзисторный усилитель постоянного тока (рис. 5.10, слайды 97, 39, 40).

Особенности схемы:

- отсутствие переходных (разделительных) емкостей между коллектором и базой, которые для медленно изменяющихся значений токов представляют очень большое сопротивление;

- использование в качестве коллекторных нагрузок только актив­ных сопротивлений, так как дроссели, трансформаторы для медленно изменяющихся токов имеют очень малые сопротивления.

Недостаток схемы:

- дрейф нуля, т.е. медленное, самопроизвольное изменение начального напряжения на выходе усилителя вследствие температурных изменений и непостоянства напряжения источника питания;

- искажение фронтов медленных колебаний.

Б. Двухтактный усилитель постоянного тока

Основным недостатком УПТ является самопроизвольное изменение выходного напряжения при неизменном входном сигнале (дрейф нуля). Поэтому, в основном, используются УПТ с компенсацией дрейфа нуля - двухтактные схемы (рис. 5.11, слайды 98, 41).

При U_вх = 0 токи в анодных цепях ламп i_a1 и i_a2 равны и U_вых = R_н (i_a1 - i_a2) = 0. При U_вх > 0 и полярности, указанной на схеме, на сетку лампы Л1 поступает (+), а на сетку Л2 - (-). Поэтому i_a1 > i_a2, U_R1 > U_R2 (при U₁ = U₂)

Следовательно U_вых ≠ 0 и в точке “Б” потенциал ниже точки “A”, т.е. U_вых по полярности обратное U_вх.

При изменении полярности входного сигнала изменится и полярность Uвых.

Усилители переменного тока

Для того, чтобы получить на выходе лишь переменную составляющую усиливаемого сигнала, достаточно на приведенной схеме (рис. 5.11) установить трансформаторный выход (рис. 5.12, слайды 99, 42).

Эта схема применяется в оконечных каскадах усилителей средней и большой мощности. Здесь анодные токи каждой из ламп i₁ и i₂ совпадают по фазе с напряжениями на сетках и фазовый сдвиг между ними равен 180°. Нагрузка включена во вторичную обмотку трансформатора Т₂ и на ней выделяется мощность, равная сумме полезных мощностей обеих ламп. Для согласования сопротивления нагрузки (единицы, десятки Ом) с требуемым значением сопротивления нагрузки ламп трансформатор Т₂ должно быть понижающим.

Постоянные составляющие анодных токов вызывают в выходном трансформаторе взаимно компенсируемые магнитные потоки, что облегчает режим работы трансформатора и упрощает его конструкцию. Рассмотренный усилитель обычно используется в выходных каскадах систем автоматического управления (например, в системах управления вращением, качание антенных систем).

Видеоусилители (ВУ)

Предназначены для усиления видеоимпульсов. Представляют собой разновидность обычного резистивного усилителя, в схему которого для расширения полосы пропускания включены элементы коррекции.

В радиолокационных станциях используются импульсы малой дли­тельности (ед. мкс), частотный спектр которых содержит большое количество гармонических составляющих и требует достаточно большой полосы пропускания каскадов усиления (несколько МГц).

Вместе с тем, коэффициент усиления ВУ должен составлять де­сятки единиц (U_{вых дет} ≈ 1 В, U_{вх инд} ≈ 10 - 20 В).

В обычных резистивных усилителях

K_ус = S·R_a

однако это выражение справедливо для низких и средних частот. С увеличением частоты усиливаемых сигналов резко падает эквивалентное сопротивление нагрузки усилителя из-за шунтирующего влияния паразитных емкостей (емкости анод-катод лампы, емкости монтажа, нагруз­ки), вследствие чего падает коэффициент усиления на высоких часто­тах.

Часть высших гармонических составляющих видеоимпульсов не усиливается, что приводит к изменению формы усиливаемых сигналов.

Простейшая схема ВУ и её эквивалентная схема представлена на рис. 5.13 (слайды 100, 43),

де Свых - выходная емкость лампы;

Свх ₂ - входная емкость следующего каскада;

См - емкость монтажа;

Rп - переходное сопротивление.

Полное сопротивление нагрузки:

,

где

; С = С_вых1 + С_вх2 + С_м.

Следовательно, коэффициент усиления каскада равен:

,

где Ω=2πf.

Это выражение представляет собой уравнение частотной характе­ристики ВУ и показывает, что усилительные свойства каскада зависят ОТ параметров схемы.

Из уравнения и эквивалентной схемы видно:

а) на верхних частотах значительно уменьшается сопротивление , а следовательно, увеличивается значение Ω²·C² и резко падает значение Kус;

б) на нижних частотах возрастает сопротивление переходной емкости Сп, оно становится равным и больше Rп, следовательно уменьшается и Uвых , а значит и Kус.

Соответственно нижняя и верхняя границы частотной характерис­тики ВУ устанавливаются выражением

;

Для коррекции частотной характеристики используется:

а) на верхних частотах в анодную цепь усилителя включают кор­ректирующий дроссель L_a, что увеличивает суммарное сопротивле­ние анодной нагрузки с увеличением частоты;

б) на нижних частотах используют анодный фильтр Cф Rф. С уменьшением частоты сопротивление 1/Ω Cф возрастает, следовательно, последовательно с Rа оказывается Rф, что увеличивает суммарное сопротивление анодной нагрузки, следовательно и Kус.На рис. 5.14 (слайды 101, 44, 45)

представлен каскад ВУ с нагрузкой в области верхних (Lа) и нижних частот (Cф Rф) и частотная характеристика каскада ВУ до и после коррекции.

После коррекции полоса пропускания увеличивается до значений

Вывод

В схемах радиотехнических устройств нашли широкое примене­ние усилители самых различных типов. Некоторых из них рассмотрены в настоящем занятии. Другие - УВЧ, резонансные усилители (УПЧ и др.), катодные повторители, фазочувствительные выпрямители - уси­лители, электромашинные и магнитные усилители мощности - будут рассмотрены в последующих занятиях.

2. Функции усилителей могут совмещаться с ограничением, вы­прямлением, выделение фазовых признаков сигнала, согласованием, частотной селекцией сигнала, формированием сигналов и др.

Заключительная часть

- Вывод по занятию;

Достигнуты учебные цели;

- Вопросы для контроля усвоения материала

1. Определение генераторов синусоидальных колебаний.

2. Области применения генераторов синусоидальных колебаний.

3. Назначение каскадов с контуром ударного возбуждения.

4. Основные параметры колебательного контура.

5. Общая характеристика усилителей.

6. Отличие усилителей постоянного и переменного тока.

7. Общая характеристика и отличительные особенности видеоусилителя.

8. Типы усилителей мощности.

9. Расчет параметров контура.

Задание на самоподготовку:

Слуцкий В.З. и др. Импульсная техника и основы радиолокации. с. 77-83.

Левичев. Радиопередающие и радиоприемные устройства. с. 6, 48, 53, 85, 209-214, 240, 244, 259, 269, 310-316.

Особое внимание обратить на :

- назначение изучаемых схем;

- их практическое применение в РЛС;

- принцип работы схемы.

Окончание занятия;

Руководитель занятия: