СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ШИРОКОПОЛОСНОГО УСИЛЕНИЯ БЕЗ ЧАСТОТНЫХ И ФАЗНЫХ ИСКАЖЕНИЙ Советский патент 1934 года по МПК H03G5/00 

В известных до их пор схемах коррекции частотных характеристик ламповых усилителей на сопротивлениях падение усиления на высоких частотах, происходящее из-за паразитных емкостей, шунтирующих сопротивления усилителя в одних каскадах усилителя, компенсируется обычно повышением усиления на высоких частотах в других каскадах усилителя, в сеточной или анодной цепи которых включены соответствующие самоиндукции. При всех этих методах коррекции все внимание было до сих пор обращено на выпрямление только частотных характеристик усилителе и совершенно выпадали из рассмотрения фазные характеристики усилителя, которые или корректировались очень незначительно или совсем не корректировались.

Для нужд телефонии, где имеет место акустический закон, который утверждает, что из сложного звука наше ухо воспринимает только амплитуды разных слагающих, но фазы этих слагающих различать не может, фазная характеристика Усилителя не имеет значения и вышеупомянутые схемы коррекций достигают своей цели. Для нужд же дальновидения, где фазы имеют не меньшее значение, чем амплитуды, усилительное устройство должно давать не только прямую частотную характеристику, но и фазную характеристику прямую до возможно больших частот.

Метод получения такого усилительного устройства, предлагаемый в настоящем изобретении, отходит от обычно принятого пути компенсаций падения усиления на высоких частотах в одних каскадам путем поднятия усиления на высоких частотах в других каскадах, так как при этом хорошей фазной характеристики получить невозможно; и идет по пути корректирования как частотной, так и фазной характеристики в каждом каскаде в отдельности.

На чертеже фиг. 1 изображает обычно применяемую схему коррекции; фиг. 2 - эквивалентную схему, соответствующую схеме на фиг. 1; фиг. 3 - частотные и фазные характеристики усилительных каскадов; фиг. 4 - эквивалентную схему, соответствующую предлагаемому методу коррекции.

Как типичный пример обычной схемы коррекции может служить схема коррекции частотной характеристики усилителя на сопротивлениях, заключающаяся в том, что в некоторых каскадах усилителя в сеточную цепь включается самоиндукция по схеме фиг. 1. В случае, когда внутреннее сопротивление лампы гораздо больше анодного сопротивления (экранированная лампа), а разделительная емкость и сеточное сопротивление достаточно велики, рассматриваемая схема приводится к эквивалентной схеме на фиг. 2. Отношение напряжения между точками CD к току, входящему в схему со стороны AВ, представляет собою величину, пропорциональную коэфициенту усиления каскада. Вычисляя это отношение и деля его на R (представляющее собой это отношение при частоте, равной нулю), получим для величины α, представляющей собой отношение коэфициента усиления при данной частоте к начальному коэфициенту усиления, при частоте нуль, следующее выражение:

обозначим

тогда

Обозначая далее

Получим

Сдвиг фазы, усиленного напряжения получается из формулы (1) в следующем виде:

или, вводя обозначения (3), (4), получаем

так как всегда b>а, то абсолютная величина сдвига фазы в рассмотренном выше случае всегда больше величины Δ, но согласно обозначениям (3)

последнее же выражение представляет собой, как легко доказать, сдвиг фазы в обыкновенном усилительном каскаде на сопротивлениях без корректирующей самоиндукции. Таким, образом, сдвиг фазы в корректирующем каскаде будет того же знака, что и в других обыкновенных каскадах, только больше по своей абсолютной величине. Ясно, что никакой коррекции фазной характеристики не получится, наоборот, она станет еще хуже. На фиг. 3 кривые α₀ и φ₀ представляют зависимость |α| и |φ| для обыкновенного каскада на сопротивлениях в функции от Δ, т.е. от частоты, так как т.е. представляет собой отношение частоты к величине . Там же нанесены кривые α и φ, представляющие собой те же зависимости в корректирующем каскаде при К=1 и С_α=0. Из сравнения кривых ясно, что частотная характеристика может быть действительно в описанной выше схеме исправлена, фазная же характеристика не может быть исправлена.

В случае применения ламп с большим внутренним сопротивлением (экранированные лампы) и при достаточно больших сеточных сопротивлениях вопрос о коррекции частотной и фазной характеристики усилительного каскада сводится к вопросу коррекции частотной и фазной характеристики анодного сопротивления, шунтированного паразитными емкостями. В качестве же способа выпрямления частотной и фазной характеристики сопротивления в предлагаемом изобретении применен метод, в принципе совпадающий с методом так называемой компенсации, применяющийся при изготовлении проволочных безреактивных сопротивлений. Как известно, всякое проволочное сопротивление обладает, кроме активного сопротивления, еще распределенными индуктивным и емкостным сопротивлениями, зависящими от способа намотки. Пользуясь эквивалентной схемой фиг. 4, где распределенные индуктивность и емкость заменены сосредоточенными, получаем следующее выражение для угла сдвига:

Для небольших частот и небольших сдвигов фаз формула (9) принимает вид

где Т - постоянная времени, равная

т.е. угол сдвига пропорционален частоте и притом тем меньшей, чем меньше постоянная времени (11). При конструировании безреактивных сопротивлений стремятся к уменьшению обоих членов, входящих в выражение для постоянной времени. В тех случаях, когда уменьшение преобладающею члена невозможно, прибегают к увеличению другого члена. Такой способ уменьшения постоянной времени называется компенсацией.

Легко видеть, что этот способ может быть применен не только для компенсации распределенной самоиндукции распределенной емкостью, но и для компенсации сосредоточенной емкости. Если сопротивление в анодной цепи усилительного каскада, само по себе, практически не обладает емкостью, то включение последовательно с ним самоиндукции, также практически не обладающей емкостью, дает возможность для анодной цепи усилительного каскада применять ту же схему (фиг. 3), что и для эквивалентной схемы проволочного сопротивления, только емкость С представляет собой уже не распределенную емкость самого сопротивления, а сосредоточенную паразитную емкость С=С_α+С_g ламп. Как будет показано ниже, получить сопротивление и самоиндукцию, сами по себе обладающие незначительными емкостями по сравнению с паразитными емкостями ламп, вполне возможно и поэтому, подбирая сопротивление и самоиндукцию, можно действительно добиться компенсации паразитной емкости. Полагая

и вводя обозначение Δ=ωRC, угол сдвига фазы получим под видом

при K=1, т.е. L=R²G, постоянная времени будет равна нулю, и сдвиг фазы изобразится формулой.

Для низких частот угол сдвига фаз практически будет равен нулю.

Коэфициент усиления корректированного каскада в случае лампы с большим внутренним сопротивлением пропорционален сопротивлению, включенному в ее анодную цепь.

Сопротивление цепи, изображенной на фиг. 4 получается равным,

Исходя из этой формулы и из обозначений L=KR²С и Δ=ωRC для отношения коэфициента усиления к начальному коэфициенту усиления (при частоте, равной нулю) α, получается следующее выражение:

при К=1

отсюда ясно, что в случае полной компенсации (K=1), когда угол сдвига фаз в начале характеристики, при небольших частотах, практически равен нулю, коэфициент усиления растет вместе с частотой. Зависимость коэфициента усиления от частоты для этого случая (K=1) представлена на фиг. 3 на кривой α. Чтобы получить при небольших частотах независимость коэфициента усиления от частоты, необходимо, чтобы производная функции α по частоте при частоте равной нулю, равнялась нулю. Произведя соответствующее вычисление, можно убедиться, что это может быть только при

при этом вторая производная по частоте будет отрицательной, т.е. при дальнейшем росте частоты коэфициент усиления будет спадать. Таким образом получить одновременно компенсацию, т.е. уничтожение сдвига фаз и исправление частотном характеристики в начале кривой невозможно.

Полная компенсация (K=1) и полное исправление частотной характеристики могут существовать только при малых частотах. При дальнейшем увеличении частоты появляется сдвиг фазы и падение усиления. Обычно в усилителях допускается некоторое предельное падение или повышение усиления на некоторой предельной частоте. При этом некоторые соображения говорят за то, что с точки зрения наступающих искажений повышение усиления допустимо в большей мере, чем падение усиления. Так как повышение будет происходить при K>0,4142, т.е. при K, более близком к единице, и следовательно, к условию полной компенсации и минимума сдвига фазы, то и выбор величины K выгодно производить, исходя из допустимого повышения усиления, т.е. K должно быть выбрано удовлетворяющим неравенству

Как коррекция падения усиления, так и уничтожение сдвига фаз в начале характеристики могут быть достигнуты не только в каждом каскаде в отдельности, но и путем коррекции одного каскада другим. Ясно, что повышение усиления в описанном выше каскаде при может исправить падение усиления в другом обыкновенном каскаде, но при этом никакого уничтожения сдвига фазы не произойдет, так как легко доказать, что коррекция частотной характеристики произойдет уже при K, меньшем 1. Уничтожение сдвига фазы может быть достигнуто лишь при K=2, тогда в корректирующем каскаде сдвиг фаз в начале кривой φ=+Δ, в обычном каскаде φ=-Δ, после этих двух каскадов сдвиг фазы будет равен нулю. Но при K=2 коэфициент усиления корректирующего каскада растет с частотой настолько быстро, что даже произведение его на падающий коэфициент усиления обыкновенного каскада дает слишком резко растущую с частотой кривую. На фиг. 3 на кривых α₂ и φ₂ представлены зависимости коэфициента усиления и сдвига фаз в функции от частоты при K=2, на кривых φ₁ и α₁ представлены результирующие зависимости коэфициента усиления и сдвига фаз, получающиеся после коррекции обыкновенного каскада каскадом СK=2.

Сравнение кривых φ₂ и α₂ с кривыми α₁ и φ₁, говорит не в пользу первых. Попытка коррекции нескольких обыкновенных каскадов одним корректирующим приводит к еще более неблагоприятным результатам.

Таким образом, окончательно можно притти к выводу, что для получения широкополосного усиления с минимумом частотных и фазных искажений необходимо компенсировать эти искажения в каждом каскаде усилителя в отдельности, путем включения самоиндукции последовательно с анодными сопротивлениями, подобранными по своей величине таким образом, чтобы величина отношения самоиндукции к произведению квадрата сопротивления на емкость лежала между величинами, удовлетворяющими условиям полной компенсации фазных искажений и полной компенсации частотных искажений при малых частотах, т.е. эта величина должна удовлетворять неравенству

Точное значение величины K определяется относительной величиной допустимых частотных и фазных искажений. Решить последний вопрос невозможно, оставаясь в рамках технической физики. Поэтому было выбрано, без достаточных к тому оснований, для величины K значение K=0,7785…, соответствующее максимуму резонансной частоты анодной цепи при изменяющейся самоиндукции Зависимости коэфициента усиления и сдвига фаз от частоты для этого случая выражается формулами:

и приведены на фиг. 2 на кривых α₂ и φ₂.

Частотная кривая в этом случае гораздо более благоприятна, чем в случае K=1, фазная же кривая, хотя на первый взгляд гораздо менее благоприятна, чем в случае полной компенсации (K=1), достаточно удовлетворительна, если учесть то обстоятельство, что в случае дальновидения сдвиг фазы, пропорциональный частоте, не вносит искажений и, таким образом, сдвигом, фазы, вносящим искажение является не весь угол сдвига, а часть его, лежащая между касательной, проведенной к фазной кривой в начале координат (при частоте 0) к самой кривой. В то время, как касательная к фазной кривой в начале координат для случая K=1 совпадает с осью абсцисс, та же касательная для случая K=0,7785 проходит под углом 0,2215 к оси абсцисс.

Расчет полосы пропускания корректированного усилителя может быть произведен, исходя из следующих заданных величин: общий коэфициент усиления усилителя K, число ламп усилителя N, допустимое повышение усиления α на предельной частоте ω и допустимый сдвиг фаз φ. Рассчитанная таким образом полоса пропускания усилителя оказывается функцией от числа ламп, имеющей максимум (правда довольно тупой) при определенном числе ламп.

Расчет дает, например, для усилителя с коэфициентом усиления 50000, с допускаемым повышением усиления на выходе 25%, сдвигом фазы на выходе 20°, при лампах типа СО 124 обладающим крутизной и междуламповыми емкостями в схеме около 30 µµF, полосу пропускания около 600000 Hz, а для типа K 1500 (Varimu), обладающих крутизной междуламповыми емкостями в схеме около 35 µµF, полосу пропускания около 1000000 Hz. При тех же условиях не компенсированный усилитель дает соответственно около 200000 Hz и 350000 Hz.

Ваше было указано, что для получения компенсации паразитной емкости ламп необходимо пользоваться сопротивлением и самоиндукцией, которые сами по себе обладают незначительными емкостями по сравнению с емкостями ламп. Удовлетворить этому условию оказывается проще и целесообразнее всего, пользуясь проволочным сопротивлением, намотанным в виде цилиндрической однослойной катушки. Собственная емкость однослойной катушки, как известно, очень не велика и равна, примерно, половине радиуса в сантиметрах. При небольших радиусах катушки емкостью можно пренебречь. Расчет показывает, что для того, чтобы сопротивление и самоиндукция однослойной цилиндрической катушки удовлетворяли соотношению L=KR²C, число витков этой катушки должно удовлетворять следующей формуле:

где d₀ - диаметр провода, ρ - удельное сопротивление, С - компенсируемая паразитная емкость в фарадах, d - диаметр провода с изоляцией.

Для манганиновой проволоки диаметром в 0,05 мм необходимое число витков оказывается равным, примерно, около 800 при С=35µF, K=0,78. Необходимую же величину сопротивления можно получить, варьируя диаметр самой катушки, от которого необходимое число витков для удовлетворения условия компенсации не зависит.

Описанный выше метод получения широкополосного усиления уже позволяет, при имеющихся лампах, получить полосу пропускания до миллиона герц.

Для современных потребностей дальневидения этого вполне достаточно.

1. Способ получения широкополосного усиления без частотных и фазных искажений, отличающийся тем, что в каждом каскаде усилителя в отдельности компенсируют паразитную емкость путем включения самоиндукции последовательно с анодным сопротивлением подобранных по своей величине таким образом, чтобы величина отношения самоиндукции к произведению квадрата сопротивления на емкость лежала между величинами, удовлетворяющими условию полной компенсации фазных искажений при малых частотах, т.е. таким образом, чтобы удовлетворялось неравенство где .

2. Прием осуществления способа по п. 1, состоящий в том, что в анодную цепь включают однослойную цилиндрическую катушку из высокоомного провода с числом витков, удовлетворяющим необходимому для компенсации соотношению между сопротивлением и самоиндукцией.