Лекция 14

ГВВ с общей сеткой и с общей базой. Частотные свойства ГВВ с общим катодом (ОК) и с общей сеткой (ОС). Принцип работы, энергетические соотношения и основные показатели ГВВ с ОС. Сравнение ГВВ с ОС и ОК. Расчёт ГВВ с ОС. Практические схемы ГВВ с ОС. Особенности ГВВ с общей базой (ОБ) и его применение.

В предыдущих лекциях мы рассматривали ГВВ на электронных лампах и биполярных транзисторах, в которых источник носителей тока – катод в лампе, эмиттер в транзисторе является общим электродом для входной и выходной цепей генератора. Схемы таких генераторов носят название соответственно с общим катодом (ОК) и общим эмиттером (ОЭ).

Л амповый ГВВ по схеме с ОК широко применяется при использовании тетродов и пентодов вплоть до метровых волн (частоты до 100 МГц, в отдельных случаях и выше), а при использовании триодов до частот обычно не выше 10 МГц. При применении триодного генератора по схеме с ОК в диапазоне декаметровых волн (частоты 3…30 МГц) проявляется такой его недостаток, как наличие сильной связи между цепями возбуждения и нагрузки, то есть между входом и выходом генератора, через межэлектродную ёмкость лампы анод-управляющая сетка (ёмкость С_АС). В метровом диапазоне волн (частоты 30…300 МГц) к этой связи добавляется ещё связь через индуктивность ввода катода L_КАТ. На рис.14.1 представлена схема генератора с ОК, на которой отражены отмеченные выше связи между входной и выходной цепями генератора. Буквами обозначены внешние выводы соответствующих электродов лампы: катода (К), сетки (С), анода (А). Наличие указанных связей между входной и выходной цепями генератора, которые являются нежелательными и которые при рассмотрении ГВВ с общим катодом полагались отсутствующими, может существенно изменить режим работы генератора и привести его к самовозбуждению. При самовозбуждении на выходе генератора появляются высокочастотные электрические колебания при отсутствии внешнего сигнала возбуждения. Основной причиной самовозбуждения триодного генератора по схеме с ОК с повышением рабочей частоты является усиление связи между выходной цепью генератора (контур С_К, L_К) и входом через межэлектродную ёмкость С_АС, сопротивление которой уменьшается с ростом частоты, в итоге большего уровня сигнал поступает с выхода генератора на его вход. Через ёмкость С_АС осуществляется также прямая передача высокочастотного сигнала с входа на выход генератора, что является нежелательным в подавляющем большинстве случаев. При прямой передаче в нагрузке генератора появляется высокочастотный сигнал при обесточенной лампе. У тетродов и пентодов межэлектродная ёмкость С_АС за счёт экранирующего действия второй (экранной) сетки (у пентодов добавляется ещё экранирующее действие третьей сетки) существенно меньше (на 1…2 порядка). Поэтому тетродные и пентодные генераторы по схеме с ОК работают устойчиво до более высоких частот, чем триодные. В то же время триоды являются основным классом генераторных ламп, особенно мощных и диапазона сверхвысоких частот (СВЧ).

Индуктивность ввода катода L_КАТ также оказывает влияние на самовозбуждение генератора. Однако более существенно её влияние сказывается на необходимости увеличения напряжения и особенно мощности возбуждения, что снижает коэффициент усиления генератора по мощности и может сделать применение его нецелесообразным. При L_КАТ = 0 напряжение возбуждения u_ВХ = u_С. При наличии L_КАТ напряжение возбуждения возрастает за счёт падения напряжения от тока первой гармоники анодного тока на этой индуктивности.¹

Для уменьшения индуктивности ввода катода генераторные лампы изготавливают с плоским стеклянным дном и толстыми прямыми выводами. Соединять катод с землёю (корпусом) следует как можно более коротким путём.

В генераторных лампах дециметрового и сантиметрового диапазонов применяют дисковые и цилиндрические выводы электродов, что существенно снижает величину индуктивности вывода и с нею практически можно не считаться.

Чтобы ослабить нежелательную связь через ёмкость С_АС между цепями возбуждения и нагрузки и повысить этим устойчивость режима работы лампового ГВВ на триоде, последний в диапазонах декаметровых, метровых, дециметровых и сантиметровых волн включают по схеме с общей сеткой (ОС). В такой схеме сетка является общим электродом для входной и выходной цепей генератора. В большинстве случаев общий электрод в генераторах заземляют (имеется в виду в первую очередь заземление по высокой частоте), поэтому генератор с ОС иногда называют генератором с заземлённой сеткой. При заземлении сетки связь между входной и выходной цепями генератора осуществляется через межэлектродную ёмкость анод-катод С_АК, которая обычно на порядок меньше ёмкости С_АС, следовательно, считаться с нею приходится на более высоких частотах. Индуктивность вывода сетки также, как правило, существенно меньше индуктивности вывода катода лампы.

Для повышения устойчивости режима работы ГВВ как усилителя мощности, выполненного как по схеме с ОК, так и с ОС, разработаны специальные схемы нейтрализации влияния проходной ёмкости, принцип действия которых сводится к компенсации нежелательной (паразитной) связи между входом и выходом генератора. Например, между сеткой и анодом в ламповом генераторе с ОК включается индуктивность, образующая с ёмкостью С_АС параллельный колебательный контур, настроенный на рабочую частоту генератора. Из-за большого эквивалентного сопротивления образованного контура как бы разрывается связь между входом и выходом генератора через ёмкость С_АС. Физически это соответствует тому, что связь через ёмкость С_АС компенсируется связью через подключаемую индуктивность. Современные генераторные лампы, как правило, в нейтрализации не нуждаются.

Отмеченные выше особенности ламповых ГВВ по схеме с ОК в определённой степени характерны и для транзисторных ГВВ по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Возможно также включение биполярного транзистора по схеме с общей базой (ОБ). Однако соображения, которыми определяется выбор схемы включения транзистора с ОЭ или с ОБ, всё-таки иные, чем при выборе схемы включения лампы. Транзисторные ГВВ по схеме с ОБ обычно применяют на частотах выше 1 ГГц, а до этой частоты применяют, как правило, схему с ОЭ.

На низких частотах в транзисторном генераторе с ОЭ обеспечивается существенно больше коэффициент усиления по мощности, чем при включении по схеме с ОБ. Однако на частотах, близких к граничной,² коэффициент усиления по мощности К_Р транзисторного ГВВ по схеме с ОЭ заметно снижается и невозможно получить К_Р > 1, тогда как при включении транзистора по схеме с ОБ коэффициент усиления по мощности на частотах, близких к граничной, оказывается выше, чем в ГВВ по схеме с ОЭ.

Принцип работы, основные энергетические соотношения и особенности расчёта
лампового генератора с общей сеткой

Возможная схема ГВВ с ОС на триоде, позволяющая уяснить принцип его работы и основные энергетические соотношения, представлена на рис.14.2.

У
правляющая сетка через блокировочный конденсатор С_{БЛ С}, шунтирующий по высокой частоте источник напряжения смещения – Е_С, подключена к земле (корпусу). Все питающие напряжения подаются в обычном порядке, как и в ГВВ с ОК.

В генераторе с ОС, как отмечалось выше, паразитная связь между цепями возбуждения и нагрузки осуществляется через межэлектродную ёмкость анод-катод С_АК и индуктивность ввода сетки (на схеме рис.14.2 индуктивность ввода сетки не показана). Ёмкость С_АК значительно меньше ёмкости С_АС. Индуктивность ввода сетки L_С также удаётся сделать существенно меньше индуктивности ввода катода L_КАТ. Следовательно, нежелательные элементы связи между цепями возбуждения и нагрузки в генераторе с ОС получаются менее значительными, чем в генераторе с ОК.

Принимаем, что между сеткой и катодом в генераторе с ОС, как и в генераторе с ОК, действует гармонический сигнал возбуждения в форме напряжения

Очевидно, как и в генераторе с ОК, в момент положительной полуволны напряжения возбуждения, когда потенциал сетки по отношению к катоду повышается, анодный ток лампы i_А возрастает. Переменные составляющие анодного тока , протекая через контур нагрузки С_К, L_К, включенный через блокировочную ёмкость С_{БЛ А} между анодом и землёю (корпусом генератора), создают на нём напряжение u_К. Если контур настроен на первую гармонику анодного тока, то, очевидно,

где I_А1 - амплитуда первой гармоники анодного тока; R_{oe AC} - эквивалентное сопротивление контура нагрузки С_К, L_К , включенного по высокой частоте через С_{БЛ С}, С_{БЛ А} между анодом и сеткой лампы; U_MK - амплитуда напряжения на контуре.

Возрастание анодного тока i_А с возрастанием напряжения на сетке относительно катода приводит к возрастанию напряжения на контуре. Следовательно, напряжение возбуждения u_C и выходное напряжение в генераторе с ОС u_K при настроенном контуре нагрузки находятся в фазе, тогда как в генераторе с ОК они в противофазе.³

На рис.14.2 показаны пути протекания составляющих сеточного i_C и анодного i_A токов в генераторе с ОС. Отличительной особенностью генератора с ОС является то, что через входную цепь (источник возбуждения) вместе с сеточным протекает анодный ток, причём первая гармоника анодного тока находится в противофазе с напряжением возбуждения (протекает против направления напряжения возбуждения u_C).

Мгновенные напряжения, действующие в генераторе с ОС между электродами лампы, при принятых на рис.14.2 направлениях их, удовлетворяют следующим соотношениям, записанным на основании второго закона Кирхгофа:

где u_A - переменное напряжение, действующее между анодом и катодом лампы, амплитуда которого U_MA = U_MK – U_MC .

Как видно, мгновенное напряжение между сеткой и катодом е_С в генераторе с ОС определяется точно так же, как в генераторе с ОК.⁴ Для мгновенного напряжения между анодом и катодом е_А также получается соотношение, подобное для генератора с ОК. При этом переменное напряжение u_А, действующее между анодом и катодом, равно разности переменных напряжений на контуре u_К и возбуждения u_С, то есть

Согласно последнему выражению в генераторе с ОС амплитуду колебательного напряжения на нагрузке-контуре можно представить как алгебраическую сумму амплитуд переменного напряжения между анодом и катодом лампы и напряжения возбуждения, то есть

U_MK = U_MA + U_MC. (14.1)

Следует отметить, что соотношение (14.1) справедливо для любой схемы ГВВ, работающего в режиме усиления, то есть при совпадении частот выходного сигнала и возбуждения. При этом под U_MK во всех случаях следует понимать амплитуду переменного напряжения между анодом и сеткой лампы U_{M AC}.

Принцип работы электронной лампы в схеме генератора и напряжённость режима её работы не зависят от того, какой электрод у лампы заземлён:⁵ электроны с катода перемещаются в сторону сетки и анода, плотность электронного потока зависит от действующих между электродами напряжений, в первую очередь от управляющего напряжения между сеткой и катодом. Действующие между электродами напряжения определяют величины токов электродов, которые можно найти по статическим ВАХ лампы. Поэтому можно утверждать, что если в двух генераторах на одинаковых лампах действующие между электродами постоянные и переменные напряжения одинаковы, то режимы работы ламп в этих генераторах также одинаковы.