Широкополосный усилитель

Союз Соеетских Социалистических Республик. 2 02 ением заявки Мо с присо Комитет по делам зобретений и открытипри Совете МинистСССР Дата опубликования описания 2,1 Ч.197 второбрете В, И, Нагори ая вите Ы Й УСИЛ ИТЕЛ ИРОКОПО ограничивает пленин добитьсяности,В предлагаемом усилителе в цепи обратной связи между коллектором и базой и между эмиттером и общей шиной включены соответственно П-образныц и Т-образный фильтры нижних частот типа К или М, которые при надлежащем выборе их параметров позволяют получить полосу пропускания усилителя, сравнимую с граничной частотой усиления при одновременном получении максимального усиления и малой неравномерности частотной характеристики.Одновременно с достижением малой комплексности входного и выходного сопротивлений для всех практически важных случаев построения транзисторных и ламповых усилителей входное и выходное сопротивления оказываются равными, причем равенство достигается тем точнее, чем шире полоса пропускания.Зто обстоятельство существенно отличает предлагаемый усилитель от существующих, так как в нем при расширении полосы согласование улучшается. В этом смысле усилитель является по сути дела усилителем бегущей волны, так как каскады его соединяются друг с другом непосредственно при очень малых коэффициентах отражения. Предлагаемый транзисторный (ламповый) усилитель со скомпенсированными в широкой полосе частот индуктивностью вывода эмиттера (катода) и проходной емкостью коллектор - база (анод - сетка) может быть использован в тех областях радиотехники и электроники, где требуется усиление электрических сигналов в широкой или чрезвычайно широкой полосах частот, например в радио- и радиорелейной связи, радиолокации, импульс ных устройствах и т. д.В настоящее время широкополосные усилители строятся по различным принципам, основанным, как правило (за исключением усилителей распределенного усиления УРУ), на 1 шунтировании и компенсации различного рода реактивных цепей, как специально поставленных, так и паразитных. Поэтому в подавляющем большинстве случаев они представляют собой, по существу, узкополосные усили тели со скомпенсированными в одной точке реактивностями - вывода эмиттера (катода) и обратной связи коллектор - база (анод - сетка) и полосой, расширенной соответствующей величиной шунта; при этом комплексность 25 входного и выходного сопротивлений схемы зачастую даже нарастает,Наличие же комплексности во входном и выходном сопротивлениях транзистора резко ухудшает условия согласования и серьезно 30 олосу пропускания при стрем- максимального усиления мощ50 55 60 65 На фиг. 1 - 3 представлены принципиальные схемы, поясняющие работу предлагаемого усилителя; на фиг. 4 и о - вариант схемы для относительно узкополосного усилителя; на фиг. 6 и 7 - варианты включения активного элемента в схему - с общей базой и общим коллектором соответственно.Усилитель на фиг. 1 выполнен на транзисторе 1, Между его коллектором и базой включен нагруженный на собственное волновое сопротивление 2 П-ооразный фильтр нижних частот типа К, состоящий из проходной емкости 3, индуктивности 4 и емкости 5, образующий параллельную обратную связь по напряжению. Нагруженный на собственное волновое сопротивление б Т-образный фильтр нижних частот типа К, состоящий из индуктивности 7 вывода эмиттера, емкости 8 и индуктивностл 9, включен между эмиттером и общей шиной и образует последовательную обратную связь по току. Схема содержит также сопротивление нагрузки 10, источник е сигнала с э,д.с. и внутреннее сопротивление г,Усилитель на фиг, 2 выполнен, как и предыдущий, на транзисторе 11, но в цепях обратной связи его применены фильтры нижних частот типа М, образованные: П-образнын фильтр - волновым сопротивлением 12, проходной емкостью 13, индуктивностью 14, емкостями 15 и 1 б и Т-образный - волновым сопротивлением 17, индуктивностью 18, емкостью 19, индуктивностями 20 и 21 и сопротивлением нагрузки 22,Работа схем основана на следующих свойствах фильтров нижних частот.Как известно, в полосе пропускания волновое сопротивление фильтра нижних частот активно и постоянно вплоть до частот, близких к резонансной частоте оо, вблизи которой волновое сопротивление Т-образного фильтра па. дает до нуля, а П-образного - неограниченно возрастает, На частотах выше оо Т-образный фильтр обладает индуктивным, а П-образный - емкостным реактивными сопротивлениями. Входное сопротивление фильтра, нагруженного на волновое сопротивление в полосе частот вплоть до а равно волновому или весьма близко к нему, Включсние в фильтр нижних частот звеньев типа М, или увеличение числа звеньев позволяет получать практически любой закон изменения волнового сопротивления фильтра в области частот, близких к оо. При равных резонансных частотах элементы Т- и П-образных фильтров взаимно дуальны и находятся в соотношении:Я 1 2 3 рСд С, Сз для фильтра типа Кзв зи азррС С Сз С 4 для фильтра типа М. При включении между коллектором и базой транзистора П-образного и в цепь эмпттера5 Ю 15 20 25 30 З 5 40 45 Т-образного фильтров нижних частот, в качестве элементов звеньев которых используются проходная емкость 3 коллектора и индуктивность 7 вывода эмиттера, внутренняя обрагная связь, обусловленная реактивными эле. ментами 7 и 3, ликвидируется в полосе частот от нулевых до резонансной частоты ко каж. дого фильтра и заменяется обратной связью, обусловленной волновым сопротивлением каждого фильтра. Эквивалентная схема усилителя в этом случае может быть представлена так, как показано на фиг, 3. Поскольку обратная связь фиг. 3 осуществляется активными сопротивлениями 23 и 24, исчезает комплектность входного и выходного сопротивлений усилителя, обусловленная комплексностью обратнои связи через индуктивность 7 вывода эмиттера (фиг. 1), 18 (фиг. 2) и проходную емкость 3 (фиг. 1), 13 (фиг. 2). При пренебрежении паразитными входной и выходной емкостями, обусловленными конструкцией и монтажом, входное и выходное сопротивления усилителя в широком диапазоне частот становятся чисто активными, Понижение степени обратной связи вблизи резонансных частот фильтров (в результате отмеченной специфики изменения волновых сопротивлений фильтров с частотой) увеличивает коэффициент усиления усилителя в области этих частот, что в известной степени позволяет компенсировать падение усиления на верхних частотах.За резонансной частотой каждого фильтра обусловленная им обратная связь становится комплексной (индуктивной в цепи эмиттера и емкостной в цепи коллектор - база), быстро нарастающей с ростом частоты,Из всего изложенного очевидно, что, если резонансные частоты Т- и П-образных фильтров равны или близки друг к другу, полоса пропускания усилителей фиг. 1 и 2 практически равна полосе пропускания этих фильтров и принципиально может быть близка к граничной частоте усиления транзистора. При этом форма частотной характеристики вблизи граничной частоты может достаточно просто регулироваться постановкой фильтров типа М или созданием многозвенных комбинаций из фильтров К и М. Следует отметить еще одно свойство предложенного усилителя. Если сопротивление 2 (фиг. 1) меньше, а сопротивление б больше соответствующих волновых сопротивлений, то П-образный и Т-образный фильтры нижних частот вырождаются соответственно в параллельный и последовательный колебательные контуры. При этом полоса пропускания каждого фильтра сужается, а эквивалентные сопротивления в цепи обратной связи (фиг. 3) изменяются так, что степень обратной связи уменьшается (величина сопротивления 23 растет, а сопротивления 24 падает). Это означает увеличение коэффициента усиления в новой, более узкой, полосе, т, е, усилитель получается относительно узкополосным с повышеннымусилением при сохранении всех вышеперечисленных свойств.Отсюда, в частности, следует, что, чем шире полоса пропусканця усилителя (т, е. чем в более широкой полосе отмеченные фильтры нижних частот имеют активное входное сопротивление), тем менее жестки требования к точности совпадения их граничных частот в цепи коллектора и эмиттера, и, наоборот, требования к точности выполнения компенсации растут с уменьшением полосы. Последнее свойство систем компенсации (так называемая нейтрализация внутренней обратной связи) достаточно хорошо известно и послужило причиноц слабого их распространения. Однако в предлагаемой схеме, ввиду ее широкополосности, неточность компенсации практически никак не проявляется.Из изложенного следует также, что, если отвлечься от условий практической реализуемости, для компенсации комплексности обратной связи, обусловленной проходной емкостью и индуктивностью вывода, можно использовать любой тип взаимно дуальных фильтров любой структуры, При этом можно получить частотную характеристику усилителя практически любой формы.Модификациями схем фиг. 1 и 2 могут служить;- схемы фиг. 1 и 2, когда сопротивления 6 и 2, 17 и 12 не равны соответствующим волновым сопротивлениям, а остальные элементы выбраны так, чтобы получалась определенная полоса пропускания;- схемы фиг. 1 и 2, фильтры нижних частот в соответствующих цепях которых заменены многозвенными комбинациями взаимно дуальных фильтров (в том числе комбинаццяъи типов М и К);- схема фиг. 4, в котороц нагрузкой является полосовой фильтр, а коъгпенсирующие фильтры нижних частот имеют полосы пропускания несколько шире, чем полоса пропускания фильтра нагрузки. В этом случае также можно получить высокий коэффициент усиления без существенной потери устойчивости усилителя на границах полосы пропускания, так как па этих частотах эквивалентные сопротивления 26 и 26 обратной связи активны (фиг. 5),Модификациями предлагаемой схемы могут служить схемы фиг, б и 7, которые, отличаясь от схем фиг. 1 и 2 только способами съема сигнала, представляют собой схемы усилителей с общей базой и общим коллектором с упомянутыми фильтрами нижних частот и со включенным в них сопротивлением 27 (фиг. б), 28 (фиг. 7), создающим отрицательную обрат ную связь. При эгом нагрузочным сопротивлением служит соответственно либо 29 (фиг. б), либо 80 (фцг. 7).Сопротивление 27, как и сопротивление г 5 выоцрают так, чтобы получить максимальноеусиление ц максимальную полосу пропусканця усилителя для схемы с общим эмиттером, т. е, оно должно быть согласованным сопротцвле.нием. Для всех трех схем включения фиг. 1, 10 б и 7 оно (как и г,) одинаково. Величина егодля высокочастотных транзисторов может быть определена по следующей приближенной формуле:: о. з ю РРАХПри этом входное ц выходное сопротивления транзисторного усилителя также получаются равными: вх -- твых =1 1 Лв = 20 Аналогцчно рассмотренному транзисторному усилителю на тех же принципах может быть сконструирован усилитель на электронной лампе или на любом другом активном 25 трехполюснике. Элементы такого усилителявыбирают описанным выше способом. Предмет изобретенияШирокополосный усилитель с активным эле ментом в виде транзистора илц электроннойлампы цли любого другого активного трехполюсника при любом способе их включения в схему, содержащиц ЙС 1 -цепи, создающие комбинированную последовательно-параллель цую частотно зависимую отрицательную обратную связь, и резистор, включенный между выводом коллектора и местом подключения источника сигнала, отличаюи 1 ийся тем, что, с целью обеспечения усиления сигналов в по лосе с граничными частотами, близкими соответственно к нулевой ц предельной частотам усиления активного элемента, в цепь эмцттера транзистора включен нагружвнный на волновое сопротивление Т-образный фильтр ниж нцх частот типа М или К, первым входнымэлементом последовательного плеча которого служит индуктивность вывода эмиттера, а между выводами коллектора ц базы включен т акже нагруженный на волновое сопротцвле цие П-образный фильтр нижних частот типаМ илп К, первым входным элементом параллельного плеча которого является проходная емкость коллекор - база, при этом величины упомянутого резистора и выходного сопротив ления цсгочнцка сигнала выбраны из условияполучения максимального усиления мощности при включении транзистора по схеме с общим эмцттером.