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 транзистора p-n-p типа 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 транзисторами n-p-n типа,³ поэтому мы в дальнейшем будем приводить схемы ГВВ применительно к этому типу биполярных транзисторов. Полевые транзисторы также существуют двух типов: с затвором p-типа и с затвором
n-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 (резистивное) 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 Тр на 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 напряжение для выбора рабочей точки, которое называется напряжением смещения. В случае ламп напряжение смещения, как правило, отрицательно относительно катода. В случае биполярных транзисторов n-p-n типа это напряжение также отрицательно относительно эмиттера, а в случае транзистора p-n-p типа 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 транзистора⁴ и 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.

З
адавая напряжения на электродах в 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 осью рис.1.3, то нетрудно заключить, что в определённые моменты времени t анодный ток и сеточный ток равны нулю (отсутствуют), а в определённые моменты времени t эти 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.