Лекция 1 (лекции по УГФС), страница 2

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 (резистивного) 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 контура равно нулю.

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.

При чисто активном (резистивном) 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 тока в 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 конденсатор или параллельно, 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 n раз.

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,

Н
а 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. Аналогично 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 ось совместить 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 значений ωt = 0; 2π; 4π; и т.д., то есть относительно значений
ωt = n 2π, где n = 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:

И
зменение 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 изменения по закону

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

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

При наличии настроенного контура оба напряжения изменяются 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 контуре динамическая характеристика анодного (или сеточного) тока в системе координат (или ) совпадает с частью статической ВАХ при и 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 абсцисс и 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 тока и углом нижней отсечки соответственно анодного тока θ, сеточного тока , коллекторного тока θ, 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.

О
тношение 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 алфавита
ξ – кси):

.

В большинстве случаев ξ < 1 (при закороченном контуре ξ = 0). Однако, при некоторых режимах возможно получение ξ > 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 питания или цепь. 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.

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.

6