Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ
ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ Ó×ÅÁÍÎÅ ÏÎÑÎÁÈÅ
ÑÀÍÊÒ-ÏÅÒÅÐÁÓÐÃÌÎÑÊÂÀÊÐÀÑÍÎÄÀÐ 2007
ÁÁÊ 32.84 Ä 59 Ä 59
Äîãàäèí Í. Á. Îñíîâû ðàäèîòåõíèêè: Ó÷åáíîå ïîñîáèå. ÑÏá.: Èçäàòåëüñòâî «Ëàíü», 2007. 272 ñ.: èë. (Ó÷åáíèêè äëÿ âóçîâ. Ñïåöèàëüíàÿ ëèòåðàòóðà). ISBN 978-5-8114-0761-3 Èçëàãàþòñÿ áàçîâûå ñâåäåíèÿ ïî ìåòîäàì ðàñ÷åòà ýëåêòðîííûõ ñõåì, ïðèíöèïàì ðàáîòû, ïîñòðîåíèÿ è ïðèìåíåíèÿ îñíîâíûõ ýëåêòðîííûõ ïðèáîðîâ, ðàäèîòåõíè÷åñêèõ óñòðîéñòâ, ñèñòåì ñâÿçè è òåëåâèäåíèÿ, ïîçâîëÿþùèå ïîíÿòü, ãðàìîòíî ïðèìåíèòü è îáúÿñíèòü ðàáîòó ñîâðåìåííîé ðàäèîýëåêòðîííîé àïïàðàòóðû. Äëÿ ñòóäåíòîâ íåðàäèîòåõíè÷åñêèõ ñïåöèàëüíîñòåé âóçîâ.
ÁÁÊ 32.84
Ðåöåíçåíòû Äîêòîð òåõíè÷åñêèõ íàóê, ïðîôåññîð Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêîãî ãîñóäàðñòâåííîãî óíèâåðñèòåòà òåëåêîììóíèêàöèé èì. ïðîô. Ì. À. Áîí÷-Áðóåâè÷à Â. Ô. ÄÌÈÒÐÈÊÎÂ; äîêòîð òåõíè÷åñêèõ íàóê, ïðîôåññîð Íèæåãîðîäñêîãî ãîñóäàðñòâåííîãî òåõíè÷åñêîãî óíèâåðñèòåòà À. Â. ÇÅÍÜÊÎÂÈ×; ïðîôåññîð Íèæåãîðîäñêîãî ãîñóäàðñòâåííîãî òåõíè÷åñêîãî óíèâåðñèòåòà Â. Í. ÍÎÃÈÍ.
Îáëîæêà À. Þ. ËÀÏØÈÍ Îõðàíÿåòñÿ çàêîíîì ÐÔ îá àâòîðñêîì ïðàâå. Âîñïðîèçâåäåíèå âñåé êíèãè èëè ëþáîé åå ÷àñòè çàïðåùàåòñÿ áåç ïèñüìåííîãî ðàçðåøåíèÿ èçäàòåëÿ. Ëþáûå ïîïûòêè íàðóøåíèÿ çàêîíà áóäóò ïðåñëåäîâàòüñÿ â ñóäåáíîì ïîðÿäêå. © Èçäàòåëüñòâî «Ëàíü», 2007 © Í. Á. Äîãàäèí, 2007 © Èçäàòåëüñòâî «Ëàíü», õóäîæåñòâåííîå îôîðìëåíèå, 2007
ÏÐÅÄÈÑËÎÂÈÅ
 íàñòîÿùåå âðåìÿ ðàçâèòèå ëþáûõ îòðàñëåé çíàíèé âî ìíî-
ãîì çàâèñèò îò ðàçâèòèÿ ðàäèîòåõíèêè. Íåäîñòàòî÷íàÿ êîìïåòåíöèÿ â ýòîé îáëàñòè çíà÷èòåëüíî ñíèæàåò òåìïû ïîëó÷åíèÿ íîâûõ çíàíèé â äðóãèõ îáëàñòÿõ è èõ ïðàêòè÷åñêîå ïðèìåíåíèå, à çíà÷èò, ïîäãîòîâêà ñîâðåìåííîãî ïîëíîöåííîãî ñïåöèàëèñòà, íå çíàþùåãî îñíîâ ðàäèîòåõíèêè è íå âëàäåþùåãî âñåìè âîçìîæíîñòÿìè, ïðåäîñòàâëÿåìûìè ñîâðåìåííîé ðàäèîòåõíèêîé, íåâîçìîæíà.  ñâÿçè ñ ýòèì â Ãîñóäàðñòâåííûå îáðàçîâàòåëüíûå ñòàíäàðòû âûñøåãî ïðîôåññèîíàëüíîãî îáðàçîâàíèÿ ìíîãèõ íåðàäèîòåõíè÷åñêèõ ñïåöèàëüíîñòåé ââåäåíû êóðñ «Ðàäèîòåõíèêà» èëè àíàëîãè÷íûå. Íàïðèìåð, êóðñ «Ðàäèîòåõíèêà», âõîäÿùèé â ñîñòàâ öèêëà «Ýëåêòðîðàäèîòåõíèêà» äèñöèïëèí ôåäåðàëüíîãî êîìïîíåíòà ïðåäìåòíîé ïîäãîòîâêè ñòóäåíòîâ ôèçè÷åñêèõ è èíæåíåðíûõ ñïåöèàëüíîñòåé ïåäàãîãè÷åñêèõ âóçîâ, ÿâëÿåòñÿ îäíîé èç îñíîâíûõ äèñöèïëèí, äàþùåé áóäóùèì ó÷èòåëÿì áàçîâûå çíàíèÿ ïî ìåòîäàì ðàñ÷åòà ýëåêòðîííûõ ñõåì, ïðèíöèïàì ðàáîòû, ïîñòðîåíèÿ è ïðèìåíåíèÿ îñíîâíûõ ýëåêòðîííûõ ïðèáîðîâ, ðàäèîòåõíè÷åñêèõ óñòðîéñòâ, ñèñòåì ñâÿçè è òåëåâèäåíèÿ, ïîçâîëÿþùåé ïîíÿòü, ãðàìîòíî ïðèìåíèòü è îáúÿñíèòü ðàáîòó ñîâðåìåííîé ðàäèîýëåêòðîííîé àïïàðàòóðû. Áûñòðîå ðàçâèòèå ðàäèîòåõíèêè è ýëåêòðîíèêè, òåìïû êîòîðîãî â íàñòîÿùåå âðåìÿ âñå íàðàñòàþò, òðåáóåò îò êâàëèôèöèðîâàííîãî ó÷èòåëÿ ôèçèêè è îáùåòåõíè÷åñêèõ äèñöèïëèí ñåðüåçíîé ïîäãîòîâêè â îáëàñòè ðàäèîòåõíèêè. Ýòî ñâÿçàíî íå òîëüêî ñ íåîáõîäèìîñòüþ îáúÿñíåíèÿ ó÷àùèìñÿ ïðîèñõîäÿùèõ ïðîöåññîâ ïðè èçëîæåíèè èì ñîîòâåòñòâóþùèõ ðàçäåëîâ êóðñà ôèçèêè, íî è ñ ãðàìîòíîé îðãàíèçàöèåé âíåóðî÷íîé ðàáîòû.
4
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
Îñîáåííîñòüþ èçó÷åíèÿ êóðñà «Ðàäèîòåõíèêà» ÿâëÿåòñÿ ñëîæíîñòü â îñîçíàíèè ïðîèñõîäÿùèõ ïðîöåññîâ, êîòîðûå â ñïåöèàëèçèðîâàííîé ëèòåðàòóðå èçëîæåíû, êàê ïðàâèëî, ñ ïðèâëå÷åíèåì áîëüøîãî è ìíîãîîáðàçíîãî ìàòåìàòè÷åñêîãî àïïàðàòà, íå ïåðåäàþùåãî íàãëÿäíî ðåàëüíûõ ôèçè÷åñêèõ ïðîöåññîâ. Ïîýòîìó ïðè èçëîæåíèè ìàòåðèàëà îäíîé èç îñíîâíûõ çàäà÷, ñòîÿùèõ ïåðåä àâòîðîì, ÿâëÿëîñü îáúÿñíåíèå ïðîèñõîäÿùèõ ôèçè÷åñêèõ ïðîöåññîâ, à ìàòåìàòè÷åñêèå ìåòîäû èñïîëüçîâàëèñü äëÿ ïîëó÷åíèÿ ðàñ÷åòíûõ ñîîòíîøåíèé.  ïðåäëàãàåìîì ó÷åáíèêå îòðàæåíû ñîâðåìåííûå äîñòèæåíèÿ â ñîîòâåòñòâóþùèõ îòðàñëÿõ ðàäèîòåõíèêè, îí ñîñòàâëåí ñ ó÷åòîì ñîâðåìåííûõ ìåòîäîâ è òåíäåíöèé àíàëèçà è ïðîåêòèðîâàíèÿ ðàäèîòåõíè÷åñêèõ óñòðîéñòâ. Ìàòåðèàë íàïèñàí â ñîîòâåòñòâèè ñ òðåáîâàíèÿìè Ãîñóäàðñòâåííîãî îáðàçîâàòåëüíîãî ñòàíäàðòà âûñøåãî ïðîôåññèîíàëüíîãî îáðàçîâàíèÿ ïî ñïåöèàëüíîñòè 032200.00 «Ôèçèêà ñ äîïîëíèòåëüíîé ñïåöèàëüíîñòüþ» è îòðàæàåò ìíîãîëåòíèé îïûò ïðåïîäàâàíèÿ äèñöèïëèíû â Âîëãîãðàäñêîì ãîñóäàðñòâåííîì ïåäàãîãè÷åñêîì óíèâåðñèòåòå. Ñîïîñòàâëåíèå óêàçàííîãî ñòàíäàðòà ñ äðóãèìè ïîêàçûâàåò, ÷òî ïðåäëàãàåìûé ó÷åáíèê ìîæåò áûòü ðåêîìåíäîâàí äëÿ ìíîãèõ íåðàäèîòåõíè÷åñêèõ ñïåöèàëüíîñòåé âóçîâ. Àâòîð âûðàæàåò ãëóáîêóþ ïðèçíàòåëüíîñòü è èñêðåííþþ áëàãîäàðíîñòü ïðîôåññîðó Â. Í. Íîãèíó (êàôåäðà òåõíèêè ðàäèîñâÿçè è òåëåâèäåíèÿ Íèæåãîðîäñêîãî ãîñóäàðñòâåííîãî òåõíè÷åñêîãî óíèâåðñèòåòà) çà ìíîãîëåòíþþ ïëîäîòâîðíóþ ïîìîùü è ïîääåðæêó âî âñåõ ðàáîòàõ â ýòîé îáëàñòè çíàíèé. Îí òàêæå ïðèçíàòåëåí ðåöåíçåíòàì ïðîôåññîðàì Â. Ô. Äìèòðèêîâó è À. Â. Çåíüêîâè÷ó çà èõ çàìå÷àíèÿ, ñïîñîáñòâîâàâøèå óëó÷øåíèþ ñîäåðæàíèÿ ìàòåðèàëà.
ÑÏÈÑÎÊ ÏÐÈÍßÒÛÕ ÑÎÊÐÀÙÅÍÈÉ ÀÌ ÀÖÏ À×Õ ÁÒÈÇ ÂÀÕ ÃËÈÍ ÇÔ ÊÏÄ ËÀ×Õ ÎÁ ÎÊ ÎÑ ÎÓ ÎÝ ÏÒ ÏÔ Ï× ÓÇ× ÓÏÒ ÓÏ× ÓÐ× ÔÂ× ÔÍ× ÔÌ Ô×Õ ÖÀÏ ×Ì ØÈÌ ÝÄÑ ÝËÒ
àìïëèòóäíàÿ ìîäóëÿöèÿ; àíàëîãî-öèôðîâîé ïðåîáðàçîâàòåëü; àìïëèòóäíî-÷àñòîòíàÿ õàðàêòåðèñòèêà; áèïîëÿðíûé òðàíçèñòîð ñ èçîëèðîâàííûì çàòâîðîì; âîëüò-àìïåðíàÿ õàðàêòåðèñòèêà; ãåíåðàòîð ëèíåéíî èçìåíÿþùåãîñÿ íàïðÿæåíèÿ; çàãðàæäàþùèé ôèëüòð; êîýôôèöèåíò ïîëåçíîãî äåéñòâèÿ; ëîãàðèôìè÷åñêàÿ àìïëèòóäíî-÷àñòîòíàÿ õàðàêòåðèñòèêà; ñõåìà ñ îáùåé áàçîé; ñõåìà ñ îáùèì êîëëåêòîðîì; îáðàòíàÿ ñâÿçü; îïåðàöèîííûé óñèëèòåëü; ñõåìà ñ îáùèì ýìèòòåðîì; ïîëåâîé òðàíçèñòîð; ïîëîñîâîé ôèëüòð; ïðîìåæóòî÷íàÿ ÷àñòîòà; óñèëèòåëü çâóêîâûõ ÷àñòîò; óñèëèòåëü ïîñòîÿííîãî òîêà; óñèëèòåëü ïðîìåæóòî÷íîé ÷àñòîòû; óñèëèòåëü ðàäèî÷àñòîòû; ôèëüòð âåðõíèõ ÷àñòîò; ôèëüòð íèæíèõ ÷àñòîò; ôàçîâàÿ ìîäóëÿöèÿ; ôàçî÷àñòîòíàÿ õàðàêòåðèñòèêà; öèôðî-àíàëîãîâûé ïðåîáðàçîâàòåëü; ÷àñòîòíàÿ ìîäóëÿöèÿ; øèðîòíî-èìïóëüñíàÿ ìîäóëÿöèÿ; ýëåêòðîäâèæóùàÿ ñèëà; ýëåêòðîííî-ëó÷åâàÿ òðóáêà.
ÂÂÅÄÅÍÈÅ
Áîëåå ñòà ëåò ïðîøëî ñ òîãî âðåìåíè, êîãäà 7 ìàÿ 1895 ã. íà
çàñåäàíèè Ðóññêîãî ôèçèêî-õèìè÷åñêîãî îáùåñòâà â Ïåòåðáóðãå Àëåêñàíäð Ñòåïàíîâè÷ Ïîïîâ (18591906) ïðîäåìîíñòðèðîâàë äåéñòâèå ïåðâîãî â ìèðå ðàäèîïðèåìíèêà (ïðèåìíèêà ýëåêòðîìàãíèòíûõ êîëåáàíèé). Ýòîò äåíü â íàøåé ñòðàíå ñ÷èòàåòñÿ äíåì ðîæäåíèÿ Ðàäèî. Ñ òîãî ìîìåíòà ðàäèîòåõíèêà ÿâëÿåòñÿ îäíîé èç íàèáîëåå áóðíî ðàçâèâàþùèõñÿ îòðàñëåé íàóêè è òåõíèêè.  íàñòîÿùåå âðåìÿ, íàâåðíîå, íåò îòðàñëè çíàíèÿ, â êîòîðîé áû íå èñïîëüçîâàëèñü ðàäèîòåõíè÷åñêèå ìåòîäû è óñòðîéñòâà (ôèçèêà, õèìèÿ, áèîëîãèÿ, ìåäèöèíà, ïåäàãîãèêà è ò. ï.). Øèðîêîå ïðèìåíåíèå ïîâñåìåñòíî èñïîëüçóåìîé âû÷èñëèòåëüíîé òåõíèêè áûëî áû íåâîçìîæíî áåç äîñòèæåíèé ðàäèîòåõíèêè. Ñ ðàäèîòåõíè÷åñêèìè èçäåëèÿìè ìû ñòàëêèâàåìñÿ êàæäûé äåíü: òåëåâèçîðû, ìàãíèòîôîíû, ìèêðîâîëíîâûå ïå÷è, ñîòîâûå òåëåôîíû è ò. ä. Ñåãîäíÿ, âåðîÿòíî, óæå íåò êâàðòèð, ê êîòîðûì áû íå áûëà ïîäâåäåíà ïðîâîäíàÿ ñåòü ðàäèîâåùàíèÿ. Òàê ÷òî æå òàêîå ðàäèîòåõíèêà? Ðàäèîòåõíèêà íàóêà è îòðàñëü òåõíèêè, îñóùåñòâëÿþùàÿ ðàçðàáîòêó è èññëåäîâàíèÿ ìåòîäîâ ãåíåðàöèè, óñèëåíèÿ, èçëó÷åíèÿ è ïðèåìà ýëåêòðîìàãíèòíûõ êîëåáàíèé è âîëí ðàäèîäèàïàçîíà (3...3×1012 Ãö), èçó÷åíèå ýòèõ êîëåáàíèé, à òàêæå ïðèìåíåíèå ðàçðàáîòàííûõ ìåòîäîâ äëÿ ïåðåäà÷è èíôîðìàöèè â ðàäèîñâÿçè, ðàäèîâåùàíèè, òåëåâèäåíèè, ðàäèîëîêàöèè, ðàäèîíàâèãàöèè è äðóãèõ îáëàñòÿõ. Êàæäàÿ èç ýòèõ îáëàñòåé ñòîëü âàæíà, ÷òî âûäåëèòü êàêóþ-ëèáî îäíó èç íèõ â êà÷åñòâå ïðèîðèòåòíîé íåâîçìîæíî. Êàæäàÿ èìååò ñâîè îñîáåííîñòè ïîñòðîåíèÿ, îáëàñòè ïðèìåíåíèÿ, ïðîáëå-
ÂÂÅÄÅÍÈÅ
7
ìû è ìåòîäû èõ ðåøåíèÿ, êîòîðûå ðàññìîòðåíû â ìíîãî÷èñëåííûõ ñïåöèàëèçèðîâàííûõ ìîíîãðàôèÿõ, ó÷åáíèêàõ è ó÷åáíûõ ïîñîáèÿõ. Îäíàêî â êàæäîé èç ýòèõ îáëàñòåé äëÿ äîñòèæåíèÿ íóæíîãî ðåçóëüòàòà èñïîëüçóþòñÿ îäíîòèïíûå óñòðîéñòâà, ïîñòðîåííûå ïî îäèíàêîâûì ïðèíöèïàì è ëèøü èíîãäà ðàçëè÷àþùèåñÿ íåêîòîðûìè ñïåöèôè÷åñêèìè îñîáåííîñòÿìè (íàïðèìåð, äèàïàçîíîì èñïîëüçóåìûõ ÷àñòîò, âåëè÷èíîé ìîùíîñòè è ò. ä.). Ê òàêèì óñòðîéñòâàì îòíîñÿòñÿ óñòðîéñòâà ãåíåðèðîâàíèÿ, óñèëåíèÿ, ïðåîáðàçîâàíèÿ ýëåêòðè÷åñêèõ êîëåáàíèé, âîññòàíîâëåíèÿ ïåðåäàííûõ ñèãíàëîâ è äð. Èìåííî âîïðîñû ïîñòðîåíèÿ òàêèõ óñòðîéñòâ, áàçîâûõ ïðè èñïîëüçîâàíèè âî âñåõ îáëàñòÿõ ðàäèîòåõíèêè, íåîáõîäèìî ïîíÿòü è îñâîèòü â ïåðâóþ î÷åðåäü, ÷òîáû ïîíÿòü ïðèíöèïû ðàáîòû è ìåòîäû ïîñòðîåíèÿ ðàäèîýëåêòðîííîãî îáîðóäîâàíèÿ. Èìåííî îíè è ðàññìàòðèâàþòñÿ â êóðñå «Ðàäèîòåõíèêà». Äëÿ áîëåå ïîäðîáíîãî îçíàêîìëåíèÿ è èçó÷åíèÿ êîíêðåòíûõ îáëàñòåé ðàäèîòåõíèêè ñòóäåíòû ìîãóò âîñïîëüçîâàòüñÿ ñïåöèàëüíîé ëèòåðàòóðîé, ñïèñîê êîòîðîé ïðèâåäåí â êîíöå êíèãè.
ÃËÀÂÀ ÏÅÐÂÀß
ÑÈÃÍÀËÛ ÑÎÎÁÙÅÍÈß È ÐÀÄÈÎÑÈÃÍÀËÛ. ÎÑÍÎÂÍÛÅ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÈÅ ÑÈÃÍÀËÛ È ÈÕ ÏÀÐÀÌÅÒÐÛ 1.1. ÊËÀÑÑÈÔÈÊÀÖÈß ÑÈÃÍÀËÎÂ
 ðàçëè÷íûõ îáëàñòÿõ ñîâðåìåííîé ðàäèîòåõíèêè äëÿ ðàç-
ëè÷íûõ öåëåé èñïîëüçóþòñÿ ðàçëè÷íûå âèäû ðàäèîòåõíè÷åñêèõ ñèãíàëîâ. ×òîáû ïîä÷åðêíóòü ôóíêöèîíàëüíîå íàçíà÷åíèå íåêîòîðûõ èç íèõ èõ ðàçäåëÿþò íà ñèãíàëû ñîîáùåíèÿ è ðàäèîñèãíàëû. Íàïðèìåð, â ñâîåé æèçíè ëþäè äðóã ñ äðóãîì îáìåíèâàþòñÿ ñîîáùåíèÿìè. Íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûìè èç íèõ ÿâëÿþòñÿ çâóêîâûå è çðèòåëüíûå. Îäíàêî ïåðåäàòü èõ â ïåðâîíà÷àëüíîì âèäå íà çíà÷èòåëüíûå ðàññòîÿíèÿ ñëîæíî: ïðèìåíåíèå àêóñòè÷åñêèõ ìåãàôîíîâ è áèíîêëåé ëèøü íåçíà÷èòåëüíî óâåëè÷èâàþò âîçìîæíîå ðàññòîÿíèå ìåæäó îòïðàâèòåëåì è ïîëó÷àòåëåì ñîîáùåíèÿ. Ïðè èñïîëüçîâàíèè äëÿ ýòîé öåëè ñðåäñòâ ðàäèîòåõíèêè íåîáõîäèìî ñèãíàëû èç åñòåñòâåííîãî âèäà ïðåîáðàçîâàòü â ýëåêòðè÷åñêèå êîëåáàíèÿ (íàïðÿæåíèå èëè òîê). Äëÿ ïðåîáðàçîâàíèÿ àêóñòè÷åñêèõ êîëåáàíèé èñïîëüçóþò ìèêðîôîíû, â êîòîðûõ êîëåáàíèÿ ìåìáðàíû, âûçâàííûå èçìåíåíèåì çâóêîâîãî äàâëåíèÿ, ïðåîáðàçóþòñÿ â ýëåêòðè÷åñêèé ñèãíàë. Äëÿ çðèòåëüíûõ îáðàçîâ èñïîëüçóþò ïðåîáðàçîâàòåëè îïòè÷åñêîãî èçîáðàæåíèÿ â ýëåêòðè÷åñêèé ñèãíàë (âèäåîñèãíàë).  ïîëó÷àåìûõ â îáîèõ ñëó÷àÿõ ýëåêòðè÷åñêèõ ñèãíàëàõ ìãíîâåííûå çíà÷åíèÿ îòðàæàþò ïðîöåññ èçìåíåíèÿ âî âðåìåíè ôèçè÷åñêîãî ñîñòîÿíèÿ êàêîãî-ëèáî îáúåêòà. Òàêèå ñèãíàëû íàçûâàþò ñèãíàëàìè ñîîáùåíèÿ. Äëÿ çâóêîâûõ êîëåáàíèé ìãíîâåííûå çíà÷åíèÿ ñèãíàëîâ ñîîáùåíèÿ ïðîïîðöèîíàëüíû òåêóùåìó çâóêîâîìó (àêóñòè÷åñêîìó) äàâëåíèþ, äëÿ âèäåîñèãíàëîâ ýëåìåíòó çðèòåëüíîãî îáðàçà. Ñèãíàëàìè ñîîáùåíèÿ ìîãóò áûòü ñèãíàëû, ïîêàçûâàþùèå èçìåíåíèå òåìïåðàòóðû, âëàæíîñòè, íàïðÿæåíèÿ, ïðîïîðöèîíàëüíûå ðàññòîÿíèþ è ò. ä.
ÃËÀÂÀ 1. ÑÈÃÍÀËÛ ÑÎÎÁÙÅÍÈß È ÐÀÄÈÎÑÈÃÍÀËÛ
9
Îäíàêî ñèãíàëû ñîîáùåíèÿ (èñõîäíûå ñèãíàëû), êàê ïðàâèëî, ñðàâíèòåëüíî íèçêî÷àñòîòíû, òàê êàê íàøè îðãàíû ÷óâñòâ èíåðöèîííû, è îíè ìîãóò ðàñïðîñòðàíÿòüñÿ ëèøü íà íåáîëüøèå ðàññòîÿíèÿ. Ïîýòîìó äëÿ ïåðåäà÷è èõ íà çíà÷èòåëüíûå ðàññòîÿíèÿ èñïîëüçóþò êîëåáàíèÿ áîëåå âûñîêî÷àñòîòíîãî (ðàäèî-) äèàïàçîíà. Äëÿ ýòîãî ïðèìåíÿþò êîëåáàíèÿ èçâåñòíîé ôîðìû (íàïðèìåð, ãàðìîíè÷åñêèå), îäèí èç ïàðàìåòðîâ êîòîðûõ èçìåíÿåòñÿ ïðîïîðöèîíàëüíî ñèãíàëó ñîîáùåíèÿ. Ïîëó÷àåìûå â ðåçóëüòàòå ñèãíàëû ðàäèî÷àñòîòíîãî äèàïàçîíà, íåñóùèå â ñåáå èíôîðìàöèþ î ñèãíàëàõ ñîîáùåíèÿ, íàçûâàþòñÿ ðàäèîñèãíàëàìè. Âíå çàâèñèìîñòè îò ôîðìû èõ ïðåäñòàâëåíèÿ âñå ñèãíàëû äåëÿòñÿ íà äåòåðìèíèðîâàííûå è ñëó÷àéíûå. Äåòåðìèíèðîâàííûìè íàçûâàþòñÿ ñèãíàëû, ìãíîâåííîå çíà÷åíèå êîòîðûõ â ëþáîé ìîìåíò âðåìåíè èçâåñòíî çàðàíåå (ãàðìîíè÷åñêèå ñèíóñîèäàëüíûå è êîñèíóñîèäàëüíûå; ïðÿìîóãîëüíûå, òðåóãîëüíûå è äð.). Íàïðèìåð, åñëè ó íàïðÿæåíèÿ, âûðàáàòûâàåìîãî ãåíåðàòîðîì ýëåêòðîñòàíöèè, èçìåðèòü àìïëèòóäó, ÷àñòîòó è íà÷àëüíóþ ôàçó, òî ïðè íåèçìåííîñòè ðåæèìà ðàáîòû ãåíåðàòîðà ìîæíî äëÿ ëþáîãî ìîìåíòà âðåìåíè (÷åðåç ÷àñ, íåäåëþ, ãîä...) âû÷èñëèòü åãî ìãíîâåííîå çíà÷åíèå. Ñëó÷àéíûìè (ñòîõàñòè÷åñêèìè) íàçûâàþòñÿ ñèãíàëû, ìãíîâåííûå çíà÷åíèÿ êîòîðûõ çàðàíåå íåèçâåñòíû è ìîãóò áûòü ïðåäñêàçàíû ëèøü ñ íåêîòîðîé âåðîÿòíîñòüþ (ðå÷ü, ìóçûêà è ò. ä.). Ôîðìà òàêèõ ñèãíàëîâ íåèçâåñòíà, ïîýòîìó èõ ìàòåìàòè÷åñêàÿ çàïèñü (ìîäåëü ñèãíàëà) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé, êàê ïðàâèëî, ïëîòíîñòü ðàñïðåäåëåíèÿ âåðîÿòíîñòè ïîÿâëåíèÿ åãî ðàçëè÷íûõ ìãíîâåííûõ çíà÷åíèé. Åñëè îíà çàâèñèò òîëüêî îò îäíîãî ïàðàìåòðà (íàïðèìåð, îò âåëè÷èíû ìãíîâåííîãî çíà÷åíèÿ êîëåáàíèÿ), òî íàçûâàåòñÿ îäíîìåðíîé ïëîòíîñòüþ ðàñïðåäåëåíèÿ âåðîÿòíîñòè; åñëè îò äâóõ òî äâóìåðíîé, è ò. ä. Òàêèå ìîäåëè, êàê ïðàâèëî, ñëîæíû è ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ èññëåäîâàíèÿ êîíêðåòíûõ ñâîéñòâ ñèãíàëîâ èëè èõ èñïîëüçîâàíèÿ, íàïðèìåð, äëÿ èññëåäîâàíèÿ àêóñòè÷åñêèõ ñâîéñòâ ðå÷è; äëÿ èññëåäîâàíèÿ ýíåðãåòè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê óñèëèòåëåé ïðè óñèëåíèè ðå÷åâîãî ñèãíàëà è ò. ä. Ïî ôîðìå äåòåðìèíèðîâàííûå è ñëó÷àéíûå ñèãíàëû äåëÿòñÿ íà íåïðåðûâíûå, äèñêðåòíûå, êâàíòîâàííûå è öèôðîâûå (ñì. ðèñ. 1.1).
10
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
à
á
â
ã
Ðèñ. 1.1
Íåïðåðûâíûìè íàçûâàþòñÿ ñèãíàëû, ìãíîâåííûå çíà÷åíèÿ êîòîðûõ îïðåäåëåíû â ëþáîé ìîìåíò âðåìåíè. Êàê ïðàâèëî, âñå êîëåáàíèÿ, ñîîòâåòñòâóþùèå ôèçè÷åñêèì ïðîöåññàì (âûðàáîòàííûå ãåíåðàòîðàìè, ñîïðîâîæäàþùèå ðå÷åîáðàçîâàíèå, ìóçûêàëüíûå ñèãíàëû è äðóãèå), ÿâëÿþòñÿ íåïðåðûâíûìè, èìåþùèìè ðàçëè÷íûå, â òîì ÷èñëå è íóëåâûå, ìãíîâåííûå çíà÷åíèÿ. Îäíàêî, êàê ïîêàçûâàþò èññëåäîâàíèÿ, ìíîãèå èç íèõ îáëàäàþò èíôîðìàöèîííîé èçáûòî÷íîñòüþ, òî åñòü äëÿ òîãî ÷òîáû ïåðåäàòü è ïðàâèëüíî âîñïðèíÿòü ñèãíàëû, íåîáÿçàòåëüíî ïåðåäàâàòü âñå ìíîãîîáðàçèå èõ ìãíîâåííûõ çíà÷åíèé. Äîñòàòî÷íî èñïîëüçîâàòü êàêèå-ëèáî õàðàêòåðíûå ïàðàìåòðû, êîòîðûå ïîçâîëÿò ñ íåîáõîäèìîé òî÷íîñòüþ âîññòàíîâèòü èñõîäíîå êîëåáàíèå. Íàïðèìåð, äëÿ ãàðìîíè÷åñêîãî ñèãíàëà ýòî àìïëèòóäà, ÷àñòîòà è íà÷àëüíàÿ ôàçà êîëåáàíèÿ, êîòîðûå ïîçâîëÿò ñôîðìèðîâàòü åãî â ëþáîé ìîìåíò âðåìåíè. Ñëåäîâàòåëüíî, äëÿ ïðàâèëüíîãî âîññòàíîâëåíèÿ òàêîãî êîëåáàíèÿ ñëåäóåò òîëüêî ñîîáùèòü ñâåäåíèÿ îá ýòèõ òðåõ ïàðàìåòðàõ. Ýòîãî äîñòàòî÷íî äëÿ äåòåðìèíèðîâàííûõ êîëåáàíèé, íî íå äëÿ ñëó÷àéíûõ ñèãíàëîâ. Äëÿ íèõ òå æå õàðàêòåðíûå ïàðàìåòðû èçìåíÿþòñÿ ñëó÷àéíûì îáðàçîì, ÷òî óñëîæíÿåò ïðîöåññ îáðàáîòêè òàêèõ ñèãíàëîâ, òàê êàê â íåì, ñ îäíîé ñòîðîíû, ñòàðàþòñÿ óìåíüøèòü èíôîðìàöèîííóþ èçáûòî÷íîñòü ñèãíàëîâ, à ñ äðóãîé ñîõðàíèòü õàðàêòåðíûå ïðèçíàêè, ïîçâîëÿþùèå îáåñïå÷èòü ïðàâèëüíîñòü èõ âîñïðèÿòèÿ. Îäíèì èç ñïîñîáîâ îáðàáîòêè, ñíèæàþùèõ èíôîðìàöèîííóþ èçáûòî÷íîñòü ñèãíàëîâ, ÿâëÿåòñÿ äèñêðåòèçàöèÿ êîëåáàíèÿ. Äèñêðåòíûìè íàçûâàþòñÿ ñèãíàëû, ìãíîâåííûå çíà÷åíèÿ êîòîðûõ îïðåäåëåíû ëèøü â ôèêñèðîâàííûå ìîìåíòû âðåìåíè (âûáîðêè), îòñòîÿùèå äðóã îò äðóãà íà øàã äèñêðåòèçàöèè Dt (ðèñ. 1.1,á). Ýòî îäèí èç ñïîñîáîâ ïðåäñòàâëåíèÿ ñèãíàëà, óìåíüøàþùèé åãî èíôîðìàöèîííóþ èçáûòî÷íîñòü. Íàëè÷èå ïðîìåæóòêà âðåìåíè (Dt), â òå÷åíèå êîòîðîãî êîëåáàíèå íå
ÃËÀÂÀ 1. ÑÈÃÍÀËÛ ÑÎÎÁÙÅÍÈß È ÐÀÄÈÎÑÈÃÍÀËÛ
11
ïåðåäàåòñÿ, ïîçâîëÿåò èñïîëüçîâàòü ýòîò ïðîìåæóòîê äëÿ ïåðåäà÷è âûáîðîê äðóãîãî êîëåáàíèÿ (íà ðèñ. 1.1,á îíè ïîêàçàíû øòðèõîâûìè ëèíèÿìè).  ýòîì ñëó÷àå ïî îäíîé ëèíèè ñâÿçè çà îäèí ñåàíñ ñâÿçè ïðîèñõîäèò îäíîâðåìåííàÿ ïåðåäà÷à äâóõ ñîîáùåíèé, òî åñòü âðåìåííî´å (âî âðåìåíè) óïëîòíåíèå êàíàëà ïåðåäà÷è, ñîêðàùàþùåå òðåáóåìîå ÷èñëî ôèçè÷åñêèõ ëèíèé ñâÿçè. Êîíå÷íî, ïðè âûáîðå ñîîòâåòñòâóþùåé âåëè÷èíû øàãà äèñêðåòèçàöèè ÷èñëî ïåðåäàâàåìûõ ñîîáùåíèé ìîæåò áûòü óâåëè÷åíî. Òàêîé ñïîñîá ïðåäñòàâëåíèÿ ñèãíàëà øèðîêî èñïîëüçóåòñÿ ïðè ïåðåäà÷å ñîîáùåíèé íà áîëüøèå ðàññòîÿíèÿ, íàïðèìåð, â ìåæäóãîðîäíåé òåëåôîíèè. Ñëåäóþùèì ñïîñîáîì ïðåäñòàâëåíèÿ ñèãíàëà ÿâëÿåòñÿ åãî êâàíòîâàíèå. Êâàíòîâàííûìè íàçûâàþòñÿ êîëåáàíèÿ, ìãíîâåííûå çíà÷åíèÿ êîòîðûõ îïðåäåëåíû â ëþáîé ìîìåíò âðåìåíè, íî èõ âåëè÷èíû ìîãóò ïðèíèìàòü ëèøü îïðåäåëåííûå çíà÷åíèÿ, îòñòîÿùèå äðóã îò äðóãà íà âåëè÷èíó, ïðîïîðöèîíàëüíóþ øàãó êâàíòîâàíèÿ Ds (ðèñ. 1.1,â). Òàêèå êîëåáàíèÿ èñïîëüçóþòñÿ â ïîìåõîóñòîé÷èâûõ ñèñòåìàõ, ïðè ôîðìèðîâàíèè êîëåáàíèé, ó êîòîðûõ òðåáîâàíèÿ ê èõ ôîðìå íå î÷åíü âûñîêèå (íàïðèìåð, â èñòî÷íèêàõ áåñïåðåáîéíîãî ïèòàíèÿ è äðóãèõ ýëåêòðîííûõ ãåíåðàòîðàõ, ôîðìèðóþùèõ êâàçèãàðìîíè÷åñêîå íàïðÿæåíèå ñ ïàðàìåòðàìè ïèòàþùåé ñåòè), ïðè öèôðîàíàëîãîâîì ôîðìèðîâàíèè ñèãíàëà (öèôðîâîé îáðàáîòêå çâóêà, â öèôðîâîì òåëåâèäåíèè) è ò. ä. Åùå îäíèì ñïîñîáîì ïðåäñòàâëåíèÿ êîëåáàíèÿ ÿâëÿþòñÿ öèôðîâûå ñèãíàëû. Öèôðîâûìè íàçûâàþòñÿ ñèãíàëû, äèñêðåòíûå âî âðåìåíè è êâàíòîâàííûå ïî àìïëèòóäå. Äëÿ èõ ïîëó÷åíèÿ èñïîëüçóþò àíàëîãî-öèôðîâîé ïðåîáðàçîâàòåëü (ÀÖÏ) óñòðîéñòâî, íà âõîä êîòîðîãî ïîäàåòñÿ íåïðåðûâíûé (àíàëîãîâûé) ñèãíàë, à ñ âûõîäà ñíèìàåòñÿ öèôðîâîé. Îäíèì èç îñíîâíûõ ïàðàìåòðîâ ÀÖÏ ÿâëÿåòñÿ åãî ðàçðÿäíîñòü ÷èñëî óðîâíåé êâàíòîâàíèÿ ñèãíàëà. Î÷åíü ÷àñòî àìïëèòóäó âûáîðêè öèôðîâîãî ñèãíàëà ïðåäñòàâëÿþò â äâîè÷íîì êîäå (èìïóëüñíî-êîäîâàÿ ìîäóëÿöèÿ). Äâîè÷íûé êîä ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé íàáîð îïðåäåëåííîãî êîëè÷åñòâà ðàâíîîòñòîÿùèõ èìïóëüñîâ îäèíàêîâîé àìïëèòóäû è äëèòåëüíîñòè, êàæäûé èç êîòîðûõ ñîîòâåòñòâóåò îäíîìó èç ðàçðÿäîâ äâîè÷íîãî ÷èñëà, ïðè÷åì ïðèñóòñòâèå èìïóëüñà â íàáîðå ñîîòâåòñòâóåò 1, à îòñóòñòâèå 0. Íàïîìíèì, ÷òî äâîè÷íûì íàçûâàåòñÿ ÷èñëî, âûðàæåííîå ïðè ïîìîùè äâóõ öèôð 0 è 1. Êîëè÷åñòâî
12
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
ðàçðÿäîâ â êîäå (n) çàâèñèò îò ÷èñëà óðîâíåé êâàíòîâàíèÿ ñèãíàëà (N) è îïðåäåëÿåòñÿ ïî ôîðìóëå n = log2N. Ïîëó÷åííûå êîäîâûå ïîñëåäîâàòåëüíîñòè çàòåì ìîãóò ïåðåäàâàòüñÿ íåïðåðûâíî äðóã çà äðóãîì èëè îôîðìëÿòüñÿ â âèäå îòäåëüíûõ áëîêîâ. Ñèãíàëû â äâîè÷íîì êîäå îáëàäàþò çíà÷èòåëüíîé ïîìåõîóñòîé÷èâîñòüþ: äëÿ èõ ïðàâèëüíîãî âîññòàíîâëåíèÿ äîñòàòî÷íî íåáîëüøîãî ïðåâûøåíèÿ ñèãíàëà íàä øóìàìè, ïîçâîëÿþùåãî çàôèêñèðîâàòü íàëè÷èå èëè îòñóòñòâèå èìïóëüñà, ïîýòîìó îíè øèðîêî èñïîëüçóþòñÿ ïðè ïåðåäà÷å èíôîðìàöèè â êîìïüþòåðíûõ, òåëåôîííûõ è äðóãèõ ñåòÿõ.  êà÷åñòâå åäèíèöû èçìåðåíèÿ âîçíèêàþùåãî â ýòîì ñëó÷àå ïîòîêà èìïóëüñîâ èñïîëüçóþò ñêîðîñòü öèôðîâîãî ïîòîêà, îïðåäåëÿåìóþ ïðîèçâåäåíèåì ðàçðÿäíîñòè ÷èñåë íà ÷àñòîòó äèñêðåòèçàöèè (êîëè÷åñòâî îòñ÷åòîâ çà ñåêóíäó). Íàïðèìåð, òèïîâîå èñïîëüçîâàíèå äèàïàçîíà óðîâíåé êâàíòîâàíèÿ îò 127 äî +127 ïðåäïîëàãàåò (âêëþ÷àÿ çíàêîâûé ðàçðÿä) 8-ðàçðÿäíîå (8-áèòíîå) ïðåäñòàâëåíèå ÷èñåë; åñëè îíè èçìåðÿþòñÿ (à çíà÷èò, è ñëåäóþò) ñ ÷àñòîòîé 8 êÃö (÷òî õàðàêòåðíî äëÿ ïåðåäà÷è ðå÷è), òî ñêîðîñòü ïîòîêà èíôîðìàöèè íà âûõîäå ÀÖÏ ñîñòàâëÿåò 64 êáèò/ñ. Âîññòàíîâëåíèå ïåðâîíà÷àëüíîé ôîðìû ñîîáùåíèÿ èç öèôðîâîãî ñèãíàëà ïðîèñõîäèò ñ ïîìîùüþ öèôðî-àíàëîãîâîãî ïðåîáðàçîâàòåëÿ (ÖÀÏ). Ïðè îïèñàíèè ðàáîòû ðàçëè÷íûõ ðàäèîòåõíè÷åñêèõ óñòðîéñòâ ÷àñòî èñïîëüçóþò ñëîâî «èíôîðìàöèÿ».  íàñòîÿùåå âðåìÿ â ñâÿçè ñ øèðîêèì ðàçâèòèåì ðàçëè÷íûõ ìåòîäîâ ïåðåäà÷è äàííûõ îíî ïðèîáðåëî äâà çíà÷åíèÿ: àáñòðàêòíîå (êà÷åñòâåííîå) è êîíêðåòíîå (êîëè÷åñòâåííîå). Ñ îäíîé ñòîðîíû, ïîä èíôîðìàöèåé ïîíèìàþò ëþáûå ñîîáùàåìûå ñâåäåíèÿ; ñ äðóãîé íåêîòîðîå ÷èñëåííîå çíà÷åíèå ìåðû íåîæèäàííîñòè ïîëó÷åíèÿ êàêèõ-ëèáî ñâåäåíèé â ñîîáùåíèè. Åñëè â ñîîáùåíèè íèêàêèõ íåèçâåñòíûõ ñâåäåíèé íåò, òî ãîâîðÿò, ÷òî êîëè÷åñòâî èíôîðìàöèè ðàâíî íóëþ. Åñëè â èñòî÷íèêå ñîîáùåíèé ñèãíàëû a1, a2,
, an ìîãóò ïîÿâëÿòüñÿ ñ âåðîÿòíîñòüþ Ð(a1), Ð(a2),
Ð(an), òî íàèáîëåå íåîæèäàííûì áóäåò ñàìîå ìàëîâåðîÿòíîå ñîîáùåíèå, òî åñòü â ýòîì ñëó÷àå êîëè÷åñòâî ïîëó÷àåìîé èíôîðìàöèè áóäåò íàèáîëüøèì. Ïîýòîìó êîëè÷åñòâî èíôîðìàöèè, ñîäåðæàùååñÿ â ñîîáùåíèè, îïðåäåëÿåòñÿ âåðîÿòíîñòüþ ïîÿâëåíèÿ ðàçëè÷íûõ ñâåäåíèé, è åå ÷èñëåííàÿ õàðàêòåðèñòèêà âû÷èñëÿåòñÿ ïî ôîðìóëå: i(àk) = log2Ð(àk) ³ 0. Îíà îáëàäàåò ñëåäóþùèìè ñâîéñòâàìè: ïðè ïåðåäà÷å äâóõ
ÃËÀÂÀ 1. ÑÈÃÍÀËÛ ÑÎÎÁÙÅÍÈß È ÐÀÄÈÎÑÈÃÍÀËÛ
13
è áîëåå íåçàâèñèìûõ ñâåäåíèé îáùåå êîëè÷åñòâî èíôîðìàöèè â ñîîáùåíèè ðàâíî ñóììå èíôîðìàöèé îò êàæäîãî èç ñâåäåíèé â îòäåëüíîñòè; â çàðàíåå èçâåñòíîì ñîîáùåíèè (âåðîÿòíîñòü êîòîðîãî Ð(àk) = 1) êîëè÷åñòâî èíôîðìàöèè ðàâíî íóëþ.  ïðèâåäåííîé ôîðìóëå îñíîâàíèå ëîãàðèôìà ïðèíÿòî ðàâíûì 2, ïîòîìó ÷òî â íàñòîÿùåå âðåìÿ â òåëåêîììóíèêàöèîííîé è êîìïüþòåðíîé òåõíèêå íàèáîëåå ÷àñòî èñïîëüçóþòñÿ äâîè÷íûå ñèãíàëû, õîòÿ çíà÷åíèå îñíîâàíèÿ ìîæåò áûòü è äðóãèì. Äâîè÷íîé åäèíèöåé èçìåðåíèÿ êîëè÷åñòâà èíôîðìàöèè ñëóæèò áèò (ñîêðàùåíèå àíãëèéñêèõ ñëîâ binary digit äâîè÷íàÿ öèôðà è binary unit äâîè÷íàÿ åäèíèöà). Ñèãíàëû, ðàñïîëîæåííûå òîëüêî â îäíîé èç ïîëóïëîñêîñòåé îòíîñèòåëüíî îñè âðåìåíè (ïîëîæèòåëüíîé èëè îòðèöàòåëüíîé), íàçûâàþòñÿ îäíîïîëÿðíûìè; à ïåðåõîäÿùèå èç îäíîé ïîëóïëîñêîñòè â äðóãóþ äâóïîëÿðíûìè èëè çíàêîïåðåìåííûìè. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. 2. 3. 4. 5.
Êàêèå âèäû ñèãíàëîâ, èñïîëüçóåìûõ â ðàäèîòåõíèêå, âû çíàåòå? ×åì ñëó÷àéíûå ñèãíàëû îòëè÷àþòñÿ îò äåòåðìèíèðîâàííûõ? Ðàññêàæèòå î ðàçëè÷íûõ ôîðìàõ ïðåäñòàâëåíèÿ ñèãíàëîâ. ×òî â ðàäèîòåõíèêå ïîäðàçóìåâàþò ïîä ñëîâîì «èíôîðìàöèÿ»? ×åì çíàêîïåðåìåííûå êîëåáàíèÿ îòëè÷àþòñÿ îò îäíîïîëÿðíûõ?
1.2. ÃÀÐÌÎÍÈ×ÅÑÊÈÉ ÑÈÃÍÀË Îäíèì èç íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûõ êîëåáàíèé, èñïîëüçóåìûõ â ðàäèîòåõíèêå, ÿâëÿåòñÿ ãàðìîíè÷åñêîå (ñèíóñîèäàëüíîå èëè êîñèíóñîèäàëüíîå) êîëåáàíèå. Íàïîìíèì îñíîâíûå ïàðàìåòðû, õàðàêòåðèçóþùèå åãî, è ñïîñîáû ïðåäñòàâëåíèÿ. Äëÿ îïðåäåëåííîñòè íà ðèñ. 1.2,à èçîáðàæåí ãðàôèê ñèíóñîèäàëüíîãî íàïðÿæåíèÿ, êîòîðûé õàðàêòåðèçóåòñÿ: u(t) ìãíîâåííûì çíà÷åíèåì ñèãíàëà, îïðåäåëÿþùèì ñèãíàë â ëþáîé ìîìåíò âðåìåíè, è îáîçíà÷àåòñÿ îáû÷íî ñòðî÷íîé (ìàëîé) áóêâîé u; Um àìïëèòóäîé êîëåáàíèÿ ìàêñèìàëüíûì îòêëîíåíèåì êîëåáàíèÿ îò íóëåâîé ëèíèè; Ò ïåðèîäîì ïîâòîðåíèÿ íàèìåíüøèì âðåìåíåì, â òå÷åíèå êîòîðîãî ñèãíàë ïîâòîðÿåòñÿ, òî åñòü ïðèîáðåòàåò òó æå ôàçó; f ÷àñòîòîé, ïîêàçûâàþùåé êîëè÷åñòâî ïåðèîäîâ (öèêëîâ) êîëåáàíèÿ, ñîâåðøàþùèõñÿ â åäèíèöó âðåìåíè (f = 1/Ò). Ýòà ÷àñòîòà èíîãäà
14
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
à
á
Ðèñ. 1.2
íàçûâàåòñÿ öèêëè÷åñêîé è èçìåðÿåòñÿ â ãåðöàõ (1 Ãö = 1/ñ); j íà÷àëüíàÿ ôàçà êîëåáàíèÿ, ñîîòâåòñòâóþùàÿ íà÷àëó ðàññìîòðåíèÿ ïðîöåññà. Åñëè ïåðâîíà÷àëüíî (ïðè t = 0) ìãíîâåííîå çíà÷åíèå êîëåáàíèÿ áîëüøå íóëÿ, òî ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî îíî èìååò ïîëîæèòåëüíóþ íà÷àëüíóþ ôàçó (ñî çíàêîì ïëþñ); åñëè ìåíüøå íóëÿ, òî îòðèöàòåëüíóþ. Êîëåáàíèå ñ ïîëîæèòåëüíîé íà÷àëüíîé ôàçîé íàçûâàþò îïåðåæàþùèì, à ñ îòðèöàòåëüíîé îòñòàþùèì èëè çàïàçäûâàþùèì. Ïðèâåäåííàÿ íà ðèñ. 1.2,à ôîðìà ïðåäñòàâëåíèÿ êîëåáàíèÿ íàçûâàåòñÿ âðåìåííî´é, åé ñîîòâåòñòâóåò ìàòåìàòè÷åñêàÿ çàïèñü: u(t) = Um sin (wt + j). Îäíàêî ïðè ðåøåíèè ðàçëè÷íûõ ðàäèîòåõíè÷åñêèõ çàäà÷ òàêàÿ ôîðìà çàïèñè èíîãäà îêàçûâàåòñÿ ãðîìîçäêîé, çàòðóäíÿþùåé íå òîëüêî ðåøåíèå, íî è îñîçíàíèå ïðîèñõîäÿùèõ ôèçè÷åñêèõ ïðîöåññîâ.  ýòèõ ñëó÷àÿõ äëÿ ãàðìîíè÷åñêîãî êîëåáàíèÿ èñïîëüçóþò äðóãóþ ôîðìó ïðåäñòàâëåíèÿ ñèãíàëà, íàçûâàåìóþ âåêòîðíîé (ðèñ. 1.2,á). Îíà êàê áû èëëþñòðèðóåò ñïîñîá ïîëó÷åíèÿ ãàðìîíè÷åñêîãî êîëåáàíèÿ, îñíîâàííûé íà ïåðåìåùåíèè ïðîâîäíèêà (êîòîðûé ñèìâîëèçèðóåòñÿ âåêòîðîì äëèíîé Um) ïî êðóãó â âåðòèêàëüíîì ìàãíèòíîì ïîëå. Íà÷àëüíîå ïîëîæåíèå âåêòîðà â ïðîñòðàíñòâå îòíîñèòåëüíî ãîðèçîíòàëüíîé îñè (ðèñ. 1.2,á), åãî íà÷àëüíûé ïîâîðîò, õàðàêòåðèçóåòñÿ íà÷àëüíîé ôàçîé (j). Ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî âåêòîð âðàùàåòñÿ ñ ïîñòîÿííîé ñêîðîñòüþ ïðîòèâ ÷àñîâîé ñòðåëêè. Âðàùåíèå õàðàêòåðèçóåòñÿ óãëîâîé (èëè êðóãîâîé) ÷àñòîòîé w, ïîêàçûâàþùåé ñêîðîñòü èçìåíåíèÿ ôàçû ñèãíàëà, êîòîðàÿ ñâÿçàíà ñ öèêëè÷åñêîé ÷àñòîòîé ñîîòíîøåíèåì w = 2pf. Åäèíèöåé èçìåðåíèÿ ÿâëÿåòñÿ ðàäèàí â ñåêóíäó (ðàä/ñ). Ïðîåêöèÿ âåêòîðà íà âåðòèêàëüíóþ îñü, îòìå÷àåìàÿ ÷åðåç îïðåäåëåííûå ïðîìåæóòêè âðåìåíè, ïåðåâîäèò âðàùàòåëüíîå
ÃËÀÂÀ 1. ÑÈÃÍÀËÛ ÑÎÎÁÙÅÍÈß È ÐÀÄÈÎÑÈÃÍÀËÛ
15
äâèæåíèå âåêòîðà â ïîñòóïàòåëüíîå è ñîîòâåòñòâóåò ñèíóñîèäàëüíîé ôîðìå ïðåäñòàâëåíèÿ ñèãíàëà (ðèñ. 1.2,à), à êîëåáàíèå, ïîëó÷àåìîå ïðîåêöèåé íà ãîðèçîíòàëüíóþ îñü, êîñèíóñîèäàëüíîé ôîðìå. Ýòè äâà ñèãíàëà îòëè÷àþòñÿ äðóã îò äðóãà òîëüêî ñäâèãîì íà÷àëüíîé ôàçû íà 90°, îíè íàçûâàþòñÿ îðòîãîíàëüíûìè, ÿâëÿþòñÿ ÷àñòíûìè ñëó÷àÿìè ãàðìîíè÷åñêîãî êîëåáàíèÿ è ïðè ó÷åòå ôàçîâîãî ñäâèãà âçàèìîçàìåíÿåìû. Äëÿ òîãî ÷òîáû ïîêàçàòü íàëè÷èå ôàçîâîãî ñäâèãà â 90°, èñïîëüçóþò áóêâû j èëè i, êîòîðûìè îáîçíà÷àþò âåðòèêàëüíóþ îñü (ðèñ. 1.2,á).  ìàòåìàòèêå ýòó îñü íàçûâàþò «ìíèìîé», ãîðèçîíòàëüíóþ «äåéñòâèòåëüíîé», à ÷èñëà, èçìåðåííûå ïî ýòèì îñÿì, íàçûâàþò ñîîòâåòñòâåííî «ìíèìûìè» è «äåéñòâèòåëüíûìè». Îäíîâðåìåííóþ (àëãåáðàè÷åñêóþ) èõ çàïèñü (à + jb) íàçûâàþò êîìïëåêñíûì ÷èñëîì. Äåéñòâèòåëüíûå è ìíèìûå ÷èñëà ìåæäó ñîáîé ñðàâíèâàòü íåëüçÿ, òàê êàê îíè èçìåðåíû ïî ðàçíûì îñÿì, è ýòî ó÷èòûâàåòñÿ ïðè âûïîëíåíèè ñ íèìè ìàòåìàòè÷åñêèõ îïåðàöèé. Íàïðèìåð, ìíèìûå ÷èñëà ìîæíî ñêëàäûâàòü òîëüêî ñ ìíèìûìè, à äåéñòâèòåëüíûå òîëüêî ñ äåéñòâèòåëüíûìè. Äëÿ ïåðåõîäà ê ïîêàçàòåëüíîé êîìïëåêñíîé ôîðìå çàïèñè íåîáõîäèìî ïî ïðîåêöèÿì âåêòîðà íàéòè åãî äëèíó è íà÷àëüíîå ìåñòîïîëîæåíèå. Äëèíà ñîîòâåòñòâóåò àìïëèòóäå êîëåáàíèÿ è ìîæåò áûòü ðàññ÷èòàíà ïî òåîðåìå Ïèôàãîðà: 2 1 1 31 2 41 1 22 1 345 361 2 22 1 578 361 9
à ìåñòîïîëîæåíèå îïðåäåëÿåòñÿ íà÷àëüíîé ôàçîé j = arctg (b/a). Åñëè äâà âåêòîðà, ñîîòâåòñòâóþùèå äâóì êîëåáàíèÿì (îäíî èç êîòîðûõ ïîêàçàíî íà ðèñ. 1.2,á), âðàùàþòñÿ ñ îäèíàêîâîé ñêîðîñòüþ, òî ïðè îïðåäåëåíèè èõ âçàèìîäåéñòâèÿ âðàùåíèå âåêòîðîâ ìîæíî íå ó÷èòûâàòü, òàê êàê â ëþáîé ìîìåíò âðåìåíè âåêòîðû îäèí îòíîñèòåëüíî äðóãîãî áóäóò íåïîäâèæíûìè. Åñëè èõ ñêîðîñòè ðàçëè÷íû, òî äëÿ ñîïîñòàâëåíèÿ êîëåáàíèé íåîáõîäèìî äîáàâëÿòü ñîñòàâëÿþùèå àðãóìåíòà, ó÷èòûâàþùèå òåêóùèå èçìåíåíèÿ ôàçû (wt), âîçíèêàþùèå èç-çà ðàçëè÷èÿ ñêîðîñòåé âðàùåíèÿ. Êàê óæå óêàçûâàëîñü, êîëåáàíèå ìîæåò áûòü ïðåäñòàâëåíî â âèäå ïðîåêöèé íà äâå âçàèìîïåðïåíäèêóëÿðíûå îñè. Ýòî íàõîäèò îòðàæåíèå â åãî ôîðìå çàïèñè: u(t) = Um cos (wt + j) + jUm sin (wt + j) = = Um åõð [ j(wt + j)] = U åõð (jwt),
16
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
â êîòîðîé êîìïëåêñíàÿ àìïëèòóäà ãàðìîíè÷åñêîãî ñèãíàëà U (èíîãäà 11 ) ðàâíà Um åõð (jj). Âîçìîæíîñòü ïåðåõîäà îò àëãåáðàè÷åñêîé ê ïîêàçàòåëüíîé ôîðìå çàïèñè ëåãêî èëëþñòðèðóåòñÿ. Äëÿ ýòîãî îáîçíà÷èì v = cos j + j sin j. Òîãäà äèôôåðåíöèðîâàíèå ôóíêöèè: 12 1 1 1234 2 3 3 456 27 1 4 456 2 3 3 234 2 1 3 1234 2 3 3 456 278 12 12 12 12 1 312 . 1 321 èëè òî åñòü 12 2 12 1 312 Èíòåãðèðîâàíèå îáåèõ ÷àñòåé ïîñëåäíåãî ðàâåíñòâà 3 2 3 äàåò ln v = jj, èëè 2 2 1 11 2 1234 1156 Òàêèì îáðàçîì, äëÿ îáîçíà÷åíèÿ ãàðìîíè÷åñêîãî êîëåáàíèÿ ìîæíî èñïîëüçîâàòü âðåìåííó´þ (òðèãîíîìåòðè÷åñêóþ), àëãåáðàè÷åñêóþ èëè ïîêàçàòåëüíóþ ôîðìû çàïèñè, êîòîðûå ðàâíîïðàâíû, îòðàæàþò îäíî è òî æå êîëåáàíèå, è öåëåñîîáðàçíîñòü èñïîëüçîâàíèÿ êàæäîãî èç ýòèõ ïðåäñòàâëåíèé îïðåäåëÿåòñÿ óäîáñòâîì ïðèìåíåíèÿ ñîîòâåòñòâóþùåãî ìàòåìàòè÷åñêîãî àïïàðàòà. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Êàêèå êîëåáàíèÿ íàçûâàþòñÿ ãàðìîíè÷åñêèìè? 2. Êàêèìè ïðîñòðàíñòâåííûìè ôîðìàìè èõ ìîæíî ïðåäñòàâèòü? 3. Ïåðå÷èñëèòå îñíîâíûå ïàðàìåòðû, õàðàêòåðèçóþùèå ãàðìîíè÷åñêèå ñèãíàëû. 4. Ïîêàæèòå ñîîòâåòñòâèå âðåìåííîé, àëãåáðàè÷åñêîé è ïîêàçàòåëüíîé ôîðì ìàòåìàòè÷åñêîé çàïèñè ãàðìîíè÷åñêîãî ñèãíàëà.
1.3. ÈÌÏÓËÜÑÍÛÅ ÑÈÃÍÀËÛ Ñëåäóþùèìè, ïîñëå ãàðìîíè÷åñêèõ, íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûìè ÿâëÿþòñÿ èìïóëüñíûå ñèãíàëû, ñðåäè êîòîðûõ ïðåîáëàäàþò êîëåáàíèÿ ïðÿìîóãîëüíîé ôîðìû (ðèñ. 1.3). Îíè õàðàêòåðèçóþòñÿ êàê ðàññìîòðåííûìè âûøå, òàê è íåêîòîðûìè ñïåöèôè÷åñêèìè ïàðàìåòðàìè. Íàïðèìåð, îäíèì èç îñíîâíûõ èõ ïàðàìåòðîâ ÿâëÿåòñÿ äëèòåëüíîñòü èìïóëüñà (tÈ) âðåìÿ, â òå÷åíèå êîòîðîãî çíà÷åíèå ñèãíàëà îòëè÷íî îò íóëÿ. Î÷åíü ÷àñòî â ðåàëüíûõ óñëîâèÿõ ïðè èçìåðåíèè âðåìåííû´õ ïàðàìåòðîâ áûâàåò ñëîæíî îäíîçíà÷íî çàôèêñèðîâàòü ìîìåíò íà÷àëà èëè îêîí÷àíèÿ èìïóëüñà (íàïðèìåð, êîãäà îí èñêàæàåòñÿ ïîìåõàìè), ïîýòîìó â êà÷åñòâå îòñ÷åòíûõ ââîäÿò óðîâíè, îòëè÷íûå îò íóëåâîãî. Íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûìè
ÃËÀÂÀ 1. ÑÈÃÍÀËÛ ÑÎÎÁÙÅÍÈß È ÐÀÄÈÎÑÈÃÍÀËÛ
17
Ðèñ. 1.3
ÿâëÿþòñÿ äëÿ ìèíèìàëüíîãî óðîâíÿ çíà÷åíèå 0,1 Um, äëÿ ìàêñèìàëüíîãî 0,9 Um, ïîçâîëÿþùèå ââîäèòü 10%-é çàïàñ íà âîçäåéñòâèå ïîìåõè.  ýòîì ñëó÷àå äëèòåëüíîñòüþ èìïóëüñà áóäåò íàçûâàòüñÿ âðåìÿ, â òå÷åíèå êîòîðîãî èìïóëüñ ïðåâûøàåò âåëè÷èíó 0,1 ñâîåé àìïëèòóäû. Êðîìå ýòèõ, èìïóëüñíûå ñèãíàëû õàðàêòåðèçóþòñÿ ñëåäóþùèìè ïàðàìåòðàìè: äëèòåëüíîñòü ôðîíòà èìïóëüñà (tÔ) âðåìÿ, â òå÷åíèå êîòîðîãî ìãíîâåííîå çíà÷åíèå èìïóëüñà èçìåíÿåòñÿ îò 0,1 Um äî 0,9 Um; äëèòåëüíîñòü ñðåçà (ñïàäà) èìïóëüñà (tÑÐ) âðåìÿ, â òå÷åíèå êîòîðîãî ìãíîâåííîå çíà÷åíèå èìïóëüñà èçìåíÿåòñÿ îò 0,9 Um äî 0,1 Um (â ñëó÷àå èäåàëüíûõ èìïóëüñîâ âûáèðàþò óðîâíè èçìåðåíèÿ îò 0 äî Um); ïåðèîä ïîâòîðåíèÿ (T) âðåìÿ ìåæäó îäèíàêîâûìè ìãíîâåííûìè çíà÷åíèÿìè äâóõ ñîñåäíèõ èìïóëüñîâ; ÷àñòîòà ñëåäîâàíèÿ f = 1/T; ñêâàæíîñòü (q) ïîêàçûâàåò âî ñêîëüêî ðàç ïåðèîäû ïîâòîðåíèÿ èìïóëüñîâ áîëüøå èõ äëèòåëüíîñòåé q = T/tÈ, êîýôôèöèåíò çàïîëíåíèÿ, ïîêàçûâàþùèé, êàêóþ ÷àñòü ïåðèîäà çàíèìàåò äëèòåëüíîñòü èìïóëüñà tÈ/T; äëèòåëüíîñòü ïàóçû (tÏ) âðåìÿ, â òå÷åíèå êîòîðîãî èìïóëüñ íå ïðåâûøàåò âåëè÷èíó 0,1 ñâîåé àìïëèòóäû (tÏ = T tÈ).  íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ, êîãäà âåðøèíà èìïóëüñà íå îñòàåòñÿ ïîñòîÿííîé, à ñ òå÷åíèåì âðåìåíè óìåíüøàåòñÿ, ââîäÿò ïàðàìåòð ñíèæåíèå (ñïàä) âåðøèíû (D) èçìåíåíèå ìàêñèìàëüíîãî ìãíîâåííîãî çíà÷åíèÿ èìïóëüñà â òå÷åíèå åãî äëèòåëüíîñòè D = DU/Um. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Ïåðå÷èñëèòå îñíîâíûå ïàðàìåòðû, õàðàêòåðèçóþùèå èìïóëüñíûå êîëåáàíèÿ. 2. Êàê îïðåäåëÿåòñÿ äëèòåëüíîñòü èìïóëüñà? 3. Êàê îïðåäåëÿþòñÿ äëèòåëüíîñòè ôðîíòà è ñðåçà? 4. ×òî òàêîå ñêâàæíîñòü èìïóëüñîâ?
18
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
1.4. ÑÏÅÊÒÐÀËÜÍÎÅ ÏÐÅÄÑÒÀÂËÅÍÈÅ ÑÈÃÍÀËÀ  ìàòåìàòèêå äîêàçûâàåòñÿ, ÷òî ëþáîå ñëîæíîå êîëåáàíèå ìîæíî ïðåäñòàâèòü ñîñòîÿùèì èç íàáîðà áîëåå ïðîñòûõ, ýëåìåíòàðíûõ êîëåáàíèé. Èõ ñîâîêóïíîñòü, âêëþ÷àþùàÿ â ñåáÿ êîëåáàíèÿ ñ ðàçëè÷íûìè àìïëèòóäàìè, ÷àñòîòàìè è ôàçàìè, ñóììà êîòîðûõ äàåò ïåðâîíà÷àëüíûé ñèãíàë, íàçûâàåòñÿ ñïåêòðàëüíûì ïðåäñòàâëåíèåì èëè ñïåêòðîì ñèãíàëà. Íàõîæäåíèå ñïåêòðà ñèãíàëà ïîçâîëÿåò óïðîñòèòü çàäà÷è àíàëèçà ðàáîòû ðàçëè÷íûõ ðàäèîòåõíè÷åñêèõ óñòðîéñòâ è ñèíòåçà ðàçëè÷íûõ êîëåáàíèé. Íàïðèìåð, äëÿ îïðåäåëåíèÿ èçìåíåíèÿ ñèãíàëà ïðè ïðîõîæäåíèè åãî ÷åðåç êàêîå-ëèáî óñòðîéñòâî äîñòàòî÷íî ðàññìîòðåòü èçìåíåíèÿ, ïðåòåðïåâàåìûå ïðè ýòîì êàæäîé èç ñîñòàâëÿþùèõ êîëåáàíèÿ, à çàòåì âñå èõ ïðîñóììèðîâàòü, ñèíòåçèðóÿ âûõîäíîé ñèãíàë. Èëè âìåñòî ñàìîé ðå÷è ïåðåäàâàòü ïî êàíàëó ñâÿçè ïàðàìåòðû ðå÷åâîãî ñèãíàëà, à çàòåì ïî èõ çíà÷åíèÿì â âûõîäíîì óñòðîéñòâå âîññòàíîâèòü ãîëîñ ÷åëîâåêà òàê ðàáîòàþò âîêî´äåðû. Àíàëîãè÷íî ñèíòåçèðóåòñÿ ìóçûêà è ò. ä. ×åì òî÷íåå, áåçîøèáî÷íåå áóäåò ïðîâåäåíî ðàçëîæåíèå êîëåáàíèÿ, òåì áîëåå ïðàâèëüíî áóäåò îíî ñèíòåçèðîâàíî. Ïîýòîìó ïðè âûáîðå ýëåìåíòàðíûõ êîëåáàíèé ðàçëîæåíèÿ íåîáõîäèìî, ÷òîáû îíè óäîâëåòâîðÿëè îïðåäåëåííûì òðåáîâàíèÿì. Ðàññìîòðèì èõ. Àíàëèçèðóåìîå êîëåáàíèå â îáùåì ñëó÷àå ìîæåò áûòü äèñêðåòíûì èëè íåïðåðûâíûì, èìåòü ëþáóþ ôîðìó, áûòü êàê îäíî-, òàê è äâóïîëÿðíûì. Ïîýòîìó ýëåìåíòàðíûå êîëåáàíèÿ, íà êîòîðûå îíî ðàçëàãàåòñÿ, äîëæíû áûòü òàêèìè, ÷òîáû èõ íàáîð ìîã ïîëíîñòüþ (òî åñòü â ëþáîé ìîìåíò âðåìåíè ñóùåñòâîâàíèÿ ñèãíàëà) âîññòàíîâèòü åãî ïåðâîíà÷àëüíóþ ôîðìó. Ñëåäîâàòåëüíî, ýëåìåíòàðíûå êîëåáàíèÿ äîëæíû áûòü íåïðåðûâíûìè è çíàêîïåðåìåííûìè, ÷òîáû áûëà âîçìîæíîñòü ñèíòåçèðîâàòü îáå ïîëóâîëíû èñõîäíîãî ñèãíàëà. Íî çíàêîïåðåìåííîå êîëåáàíèå â ìîìåíò ïåðåõîäà îò îäíîé ïîëóâîëíû ê äðóãîé îáðàùàåòñÿ â íóëü è, ñëåäîâàòåëüíî, ïðè ýòîì ñèíòåçèðóåìîå êîëåáàíèå òàêæå âûíóæäåíî îáðàòèòüñÿ â íóëü, õîòÿ ðåàëüíî îíî, ïðåäïîëîæèì, äîëæíî èìåòü äðóãîå çíà÷åíèå. ×òîáû ýòî èñêëþ÷èòü, â êà÷åñòâå ýëåìåíòàðíûõ íåîáõîäèìî èñïîëüçîâàòü ïî êðàéíåé ìåðå äâà ïåðèîäè÷åñêèõ êîëåáàíèÿ, ïðè÷åì, êîãäà îäíî èç íèõ îáðàùàåòñÿ â íóëü, âòîðîå äîëæíî
19
ÃËÀÂÀ 1. ÑÈÃÍÀËÛ ÑÎÎÁÙÅÍÈß È ÐÀÄÈÎÑÈÃÍÀËÛ
äîñòèãàòü ìàêñèìóìà, è íàîáîðîò. Òàêèå êîëåáàíèÿ íàçûâàþòñÿ îðòîãîíàëüíûìè. Ìàòåìàòè÷åñêè ïðèçíàê îðòîãîíàëüíîñòè äâóõ êîëåáàíèé fn(x) è fm(x) íà ëþáîì èíòåðâàëå a £ x £ b çàïèñûâàåòñÿ òàê: 1
2 52 162 53 162 76 1 3 äëÿ n ¹ m. 4
Ïðè ýòîì ñàìè êîëåáàíèÿ ñóùåñòâóþò, òî åñòü 1
2 421 253 65 1 45 3
Âåëè÷èíà
1
2 421 253 65
42 1
3
íàçûâàåòñÿ íîðìîé ôóíêöèè. Ôóíêöèÿ, äëÿ êîòîðîé 42
1
1
1 2 421 253 65 1 45 3
íàçûâàåòñÿ íîðìèðîâàííîé.  ìàòåìàòèêå äîêàçûâàåòñÿ, ÷òî ëþáàÿ êóñî÷íî-íåïðåðûâíàÿ ôóíêöèÿ s(x), äëÿ êîòîðîé 1
3 1223 32 1 24
ìîæåò áûòü ïðåäñòàâëåíà ñîâîêóïíîñòüþ íåïðåðûâíûõ ôóíêöèé fn(x) òàê, ÷òî s(x) = c0 f0 (x) + c1 f1 (x) +
+ cnfn (x) +
(1.1)
Åñëè îáå ÷àñòè ýòîãî ðàâåíñòâà óìíîæèòü íà fn (x) è ïðîèíòåãðèðîâàòü â ïðåäåëàõ îò a äî b, òî âñå ñëàãàåìûå âèäà 1
1 52 62 172 63 172 87 4
ïðè n ¹ m áóäóò ðàâíû íóëþ èç-çà îðòîãîíàëüíîñòè ýòèõ ôóíêöèé. Òîãäà ðàâåíñòâî (1.1) ïðèìåò âèä: 1
1
3
3
1
2 4 253 62 253 75 1 82 2 62 253 62 253 75 1 82 62 4 È, ñëåäîâàòåëüíî, êîýôôèöèåíòû ðÿäà (1.1) ìîãóò áûòü íàéäåíû ïî ôîðìóëå: 1 42 1 2 1 2 5 364 72 364 865 (1.2) 72 3
20
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
Òàêîé ðÿä íàçûâàåòñÿ îáîáùåííûì ðÿäîì Ôóðüå. Êàê óæå óêàçûâàëîñü, âõîäÿùèå â åãî ñîñòàâ ýëåìåíòàðíûå êîëåáàíèÿ fn (x) ìîãóò áûòü ëþáûìè ïåðèîäè÷åñêèìè è îðòîãîíàëüíûìè, íî ëó÷øå èñïîëüçîâàòü òå, ìàòåìàòè÷åñêèé àïïàðàò ðàáîòû ñ êîòîðûìè õîðîøî èçó÷åí. Ýòî ïîçâîëÿåò çíà÷èòåëüíî óïðîñòèòü ïðîâîäèìûé àíàëèç. Êðîìå òîãî, åñëè ýòè ñèãíàëû äîñòàòî÷íî ïðîñòî ôîðìèðóþòñÿ, òî óïðîùàåòñÿ è ñèíòåç âûõîäíîãî êîëåáàíèÿ. Âñåì ýòèì óñëîâèÿì óäîâëåòâîðÿþò ãàðìîíè÷åñêèå êîëåáàíèÿ.  ðàçäåëå 1.2 áûëè ðàññìîòðåíû ðàçëè÷íûå ôîðìû èõ ìàòåìàòè÷åñêîé çàïèñè, ïîäñòàíîâêà êîòîðûõ â (1.2) ïðèâîäèò ê ðàçëè÷íûì ôîðìóëàì ðàñ÷åòà êîýôôèöèåíòîâ ðÿäà Ôóðüå. Åñëè âîñïîëüçîâàòüñÿ êîìïëåêñíîé ôîðìîé çàïèñè ãàðìîíè÷åñêîãî êîëåáàíèÿ, òî ðÿä Ôóðüå (1.1) ìîæåò áûòü ïðåäñòàâëåí â âèäå: 1 4233 3 5 52 4 12213 5 2 341
Çäåñü n ïîëîæèòåëüíîå öåëîå ÷èñëî, íàçûâàåìîå íîìåðîì ãàðìîíèêè; w1 ÷àñòîòà îñíîâíîé (ïåðâîé) ãàðìîíèêè, ñîâïàäàþùàÿ ñ ÷àñòîòîé ïîâòîðåíèÿ ðàçëàãàåìîãî ñèãíàëà s(t), îñòàëüíûå ãàðìîíèêè íàçûâàþòñÿ âûñøèìè.  ýòîì ñëó÷àå äëÿ íàõîæäåíèÿ êîýôôèöèåíòîâ ðÿäà (÷òîáû èçáàâèòüñÿ îò ìíèìûõ ÷èñåë ïðè ñîâïàäåíèè ôóíêöèé) îáå åãî ÷àñòè íóæíî óìíîæèòü íà êîìïëåêñíî-ñîïðÿæåííîå ÷èñëî è ïðîèíòåãðèðîâàòü â ïðåäåëàõ ïåðèîäà ïîâòîðåíèÿ ôóíêöèè (îò Ò/2 äî Ò/2). Òîãäà êâàäðàò íîðìû ôóíêöèè: 53
3
1 23
3
à êîýôôèöèåíòû ðÿäà:
4
4 23114 42 23114 64 3 1 5
21 23 1 23
53 3 1 4 6 54674 23114 748 1 21 23
Åñëè ïåðåéòè îò ïîêàçàòåëüíîé ôîðìû çàïèñè êîìïëåêñíîãî ÷èñëà ê àëãåáðàè÷åñêîé, òî: 1 12
1 12
32 2 3 4 4 95 456 2335 65 1 7 3 4 4 95 678 2335 65 2 1 11 12 1 11 12 2 32 456 1 732 678
(1.3)
ÃËÀÂÀ 1. ÑÈÃÍÀËÛ ÑÎÎÁÙÅÍÈß È ÐÀÄÈÎÑÈÃÍÀËÛ
21
Òîãäà 31 2 41 1 211 2 ãäå 21 1 211 234 2 211 456 7 à qn = arctg (cnsin/cncos). Ñëåäóåò îáðàòèòü âíèìàíèå íà òî, ÷òî ïðè òàêîé ôîðìå çàïèñè íåîáõîäèìî ñóììèðîâàíèå ÷ëåíîâ ðÿäà ïðè ¥ £ n £ +¥, òî åñòü ñóììèðóþòñÿ ãàðìîíèêè è ñ îòðèöàòåëüíûìè ÷àñòîòàìè, ÷òî ôèçè÷åñêè íåðåàëèçóåìî. Ïîýòîìó î÷åíü ÷àñòî èñïîëüçóþò äðóãóþ àëãåáðàè÷åñêóþ ôîðìó çàïèñè, â êîòîðîé ïðèñóòñòâóþò êîëåáàíèÿ òîëüêî ñ ïîëîæèòåëüíûìè ÷àñòîòàìè, òî åñòü òàêèå, êîòîðûå ìîæíî ëåãêî ãåíåðèðîâàòü. Àìïëèòóäû ýòèõ êîëåáàíèé â äâà ðàçà áîëüøå, ÷åì êîýôôèöèåíòû, íàéäåííûå ïî (1.3), è ðàññ÷èòûâàþòñÿ ïî ôîðìóëàì: 1 12
32 2 2 4 4 455678 2335 659 1 11 12
1 12
72 2 2 4 4 4558 2335 65 9 1 11 12
à ñàì ñèãíàë ìîæåò áûòü ïðåäñòàâëåí â âèäå: 3344 2
1 21 1 2 3 6321 567 1424 3 51 789 14244 2 1 3 6 61 56731424 3 51 4
1 22 1 22
çäåñü à0 çíà÷åíèå an, âû÷èñëåííîå ïðè n = 0 (ïîñòîÿííàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ êîëåáàíèÿ); 21 1 311 2 411 2 qn = arctg (bn/an). Çàâèñèìîñòü àìïëèòóä (Àn) îò ÷àñòîòû (nw1) íàçûâàåòñÿ àìïëèòóäíî-÷àñòîòíûì, à ôàç (qn) ôàçî÷àñòîòíûì ñïåêòðàìè. á
à
Ðèñ. 1.4
 êà÷åñòâå ïðèìåðà íàéäåì ñïåêòð ïðÿìîóãîëüíîãî êîëåáàíèÿ, ïîêàçàííîãî íà ðèñ. 1.4,à. Òàêàÿ ôóíêöèÿ ÿâëÿåòñÿ íå÷åòíîé, òî åñòü s(t) = s(t), ïîýòîìó àn = 0 è îñòàþòñÿ òîëüêî àìïëèòóäû íå÷åòíûõ ãàðìîíèê:
22
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ 1 12 2 2 55 253 1 43 2 3 4 678 4337 87 7 983 678 4337 87 5 6 93 8 6 3
2 4 4 2 5 2433 1 12 9 Ó÷èòûâàÿ, ÷òî w1T = 2p, ïîëó÷àåì, ÷òî
64 6
42 1 52 1
13 1 23 2 456 237 23
è ñóùåñòâóåò (íå ðàâíî íóëþ) òîëüêî äëÿ íå÷åòíûõ ãàðìîíèê (n = 1, 3, 5
), ïðè ýòîì qn = p/2. ×àñòü àìïëèòóäíî÷àñòîòíîãî ñïåêòðà, îãðàíè÷åííàÿ 5-é ãàðìîíèêîé, ïîêàçàíà íà ðèñ. 1.4,á. Òîãäà ðÿä Ôóðüå äëÿ ýòîãî êîëåáàíèÿ áóäåò èìåòü âèä:
3344 1
22 1 3567 214 3 1 567 8214 3 1 567 9214 3
4
4 8 9
Íà ðèñ. 1.5 ïîêàçàíû 1-ÿ, 3-ÿ è 5-ÿ ãàðìîíèêè è èõ ïîñëåäîâàòåëüíîå ñóììèðîâàíèå. Çäåñü øòðèõîâàÿ ëèíèÿ n1, 3 ñîîòâåòñòâóåò ñóììå 1-é è 3-é ãàðìîíèê, à n1, 3, 5 äîáàâëåíèþ ê íèì åùå è 5-é ãàðìîíèêè. Èç ðàññìîòðåíèÿ ðåçóëüòàòîâ âèäíî, ÷òî ñ óâåëè÷åíèåì ÷èñëà ñóììèðóåìûõ ãàðìîíèê ðåçóëüòèðóþùåå êîëåáàíèå âñå áîëüøå ïðèáëèæàåòñÿ ê ïðÿìîóãîëüíîìó, òî åñòü âñå òî÷íåå ñèíòåçèðóåòñÿ ïåðâîíà÷àëüíûé ñèãíàë. Ïðè ýòîì ÷åì áîëüøå ó÷èòûâàåìàÿ â ñïåêòðå êîëåáàíèÿ ÷àñòîòà ãàðìîíè÷åñêîãî ñèãíàëà, òåì áîëåå êðóòî èäåò ôðîíò íàðàñòàíèÿ ðåçóëüòèðóþùåãî
Ðèñ. 1.5
ÃËÀÂÀ 1. ÑÈÃÍÀËÛ ÑÎÎÁÙÅÍÈß È ÐÀÄÈÎÑÈÃÍÀËÛ
23
êîëåáàíèÿ. Ñëåäîâàòåëüíî, ìàëûì âðåìåííûì äëèòåëüíîñòÿì ñèãíàëà (êîãäà Dt ® 0) ñîîòâåòñòâóþò âûñîêèå ÷àñòîòû ñïåêòðà ñèãíàëà, à áîëüøèì âðåìåííû´ì èíòåðâàëàì íèçêèå ÷àñòîòû. Íàèìåíüøàÿ ÷àñòîòà â ñïåêòðå ïåðèîäè÷åñêîãî ñèãíàëà îïðåäåëÿåòñÿ ïåðèîäîì ïîâòîðåíèÿ êîëåáàíèÿ (w1 = 2p/Ò). Åñëè ïåðèîä î÷åíü áîëüøîé (Ò ® ¥), òî w1 ® 0, òî åñòü â ñïåêòðå ïîÿâëÿåòñÿ ïîñòîÿííàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ. Êðîìå òîãî, ïðè óâåëè÷åíèè ïåðèîäà ïîâòîðåíèÿ Ò àíàëèçèðóåìîãî ñèãíàëà ÷àñòîòíûå ðàññòîÿíèÿ ìåæäó åãî ñïåêòðàëüíûìè ñîñòàâëÿþùèìè (w1, 3w1, 5w1 è ò. ä.) óìåíüøàþòñÿ, è äëÿ îäèíî÷íûõ èìïóëüñîâ (ó êîòîðûõ Ò ® ¥) ñïåêòð èç ëèíåé÷àòîãî ïðåâðàùàåòñÿ â ñïëîøíîé. Òàêèì îáðàçîì, äëÿ êà÷åñòâåííîãî ðàññìîòðåíèÿ ïðîöåññîâ, ïðîèñõîäÿùèõ â ðàäèîòåõíè÷åñêèõ öåïÿõ, ìîæíî ìàëûì äëèòåëüíîñòÿì ñèãíàëà ñîïîñòàâèòü ïîâåäåíèå öåïè ïðè ãàðìîíè÷åñêîì êîëåáàíèè âûñîêèõ ÷àñòîò; à áîëüøèì äëèòåëüíîñòÿì ïðè ìàëûõ ÷àñòîòàõ, âïëîòü äî ïîñòîÿííîãî òîêà. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Ðàññêàæèòå î ñïåêòðàëüíîì ïðåäñòàâëåíèè ñèãíàëîâ. 2. Êàêèå òðåáîâàíèÿ ïðåäúÿâëÿþòñÿ ê ýëåìåíòàðíûì êîëåáàíèÿì ðàçëîæåíèÿ? 3. Ïîëó÷èòå ôîðìóëó ðàñ÷åòà êîýôôèöèåíòîâ îáîáùåííîãî ðÿäà Ôóðüå. 4. Îáîñíóéòå êîìïëåêñíóþ ïîêàçàòåëüíóþ ôîðìó çàïèñè ðÿäà. 5. Îáîñíóéòå àëãåáðàè÷åñêóþ ôîðìó çàïèñè ðÿäà Ôóðüå. 6. Êàê ðàññ÷èòàòü àìïëèòóäû ãàðìîíè÷åñêèõ ñîñòàâëÿþùèõ ñèãíàëà? 7. ×òî òàêîå àìïëèòóäíî-÷àñòîòíûé è ôàçî÷àñòîòíûé ñïåêòðû? 8. Êàêîâà ñâÿçü ìåæäó âðåìåííû´ìè è ñïåêòðàëüíûìè (÷àñòîòíûìè) õàðàêòåðèñòèêàìè ñèãíàëîâ?
1.5. ÄÈÑÊÐÅÒÈÇÀÖÈß ÑÈÃÍÀËΠØèðîêîå ðàñïðîñòðàíåíèå öèôðîâûõ ìåòîäîâ îáðàáîòêè è ïåðåäà÷è èíôîðìàöèè (êîãäà ïåðåäàþòñÿ ëèøü îòäåëüíûå çíà÷åíèÿ ñèãíàëà) äåëàåò àêòóàëüíûì îïðåäåëåíèå òåõ åãî çíà÷åíèé, ïî êîòîðûì âîçìîæíî òî÷íîå âîññòàíîâëåíèå êîëåáàíèÿ. Ïðè ïåðåâîäå ñèãíàëà â öèôðîâóþ ôîðìó â íåêîòîðûå ìîìåíòû âðåìåíè (íàçûâàåìûìè îòñ÷åòíûìè òî÷êàìè èëè îòñ÷åòàìè) èçìåðÿþòñÿ ìãíîâåííûå çíà÷åíèÿ êîëåáàíèÿ, ïî êîòîðûì â äàëüíåéøåì îíî âîññòàíàâëèâàåòñÿ. ×åì ÷àùå áåðóòñÿ îòñ÷åòû, òåì áîëüøå äàííûõ î ñèãíàëå è òåì òî÷íåå îí
24
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
ìîæåò áûòü âîññòàíîâëåí. Îäíàêî ñ óâåëè÷åíèåì êîëè÷åñòâà îòñ÷åòíûõ òî÷åê ðàçëè÷èå ìåæäó íåïðåðûâíûì è äèñêðåòíûì ïðåäñòàâëåíèÿìè ñèãíàëà óìåíüøàåòñÿ, ÷òî óìåíüøàåò ýôôåêòèâíîñòü ïðèìåíåíèÿ òàêîãî ïðåîáðàçîâàíèÿ. Ìàêñèìàëüíûé ïðîìåæóòîê âðåìåíè, ÷åðåç êîòîðûé äîëæíû áðàòüñÿ îòñ÷åòíûå òî÷êè äëÿ ïîëíîãî âîññòàíîâëåíèÿ êîëåáàíèÿ îïðåäåëÿåòñÿ ïî òåîðåìå îòñ÷åòîâ (òåîðåìà Êîòåëüíèêîâà): åñëè íàèâûñøàÿ ÷àñòîòà â ñïåêòðå ôóíêöèè s(t) ìåíüøå, ÷åì fm, òî ôóíêöèÿ s(t) ïîëíîñòüþ îïðåäåëÿåòñÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòüþ ñâîèõ çíà÷åíèé â ìîìåíòû, îòñòîÿùèå äðóã îò äðóãà íå áîëåå ÷åì íà 1/2fm ñåêóíä. Íå îñòàíàâëèâàÿñü íà ðàññìîòðåíèè ìàòåìàòè÷åñêîãî äîêàçàòåëüñòâà òåîðåìû, ïîêàæåì ãðàôè÷åñêè åå ñïðàâåäëèâîñòü. Íà ðèñ. 1.6 ïðèâåäåí ãàðìîíè÷åñêèé ñèãíàë ñ ïåðèîäîì Ò = 1/fm. Òàì æå âåðòèêàëüíûìè ëèíèÿìè ïîêàçàíû îòñ÷åòû åãî ìãíîâåííûõ çíà÷åíèé, èçìåðÿåìûå ÷åðåç ïðîìåæóòêè Dt < 1/2fm.
Ðèñ. 1.6
Èç ðèñ 1.6 âèäíî, ÷òî â ýòîì ñëó÷àå â òå÷åíèå êàæäîãî ïîëóïåðèîäà êîëåáàíèÿ áåðåòñÿ, ïî êðàéíåé ìåðå, îäíà âûáîðêà ñèãíàëà, òî åñòü ïîÿâëÿþòñÿ äàííûå è î ïîëîæèòåëüíîé, è îá îòðèöàòåëüíîé ïîëóâîëíàõ êîëåáàíèÿ. Ïðîìåæóòêè âðåìåíè ìåæäó îòñ÷åòàìè (øàã äèñêðåòèçàöèè Dt) ìåíüøå ïîëîâèíû ïåðèîäà ñèãíàëà, ïîýòîìó âûáîðêè â òå÷åíèå íåñêîëüêèõ ïåðèîäîâ ïîñëåäîâàòåëüíî ïðîéäóò ÷åðåç âñå ìãíîâåííûå çíà÷åíèÿ ïåðèîäè÷åñêîãî êîëåáàíèÿ, ÷òî ïîçâîëèò åãî ïîëíîñòüþ âîññòàíîâèòü.
ÃËÀÂÀ 1. ÑÈÃÍÀËÛ ÑÎÎÁÙÅÍÈß È ÐÀÄÈÎÑÈÃÍÀËÛ
25
Åñëè îòñ÷åòíûå òî÷êè áðàòü ÷åðåç ïðîìåæóòêè âðåìåíè Dt > 1/2fm, òî ñâåäåíèÿ îá îäíîì èç ïîëóïåðèîäîâ êîëåáàíèÿ ìîãóò ïðîïàñòü, è òîãäà òî÷íîå âîññòàíîâëåíèå ñèãíàëà íåâîçìîæíî. Áîëåå òîãî, âîññòàíîâëåííûé ïî òàêèì îòñ÷åòàì ñèãíàë áóäåò èìåòü íèçêî÷àñòîòíóþ ñîñòàâëÿþùóþ, îïðåäåëÿåìóþ îòñ÷åòíûìè òî÷êàìè, êîòîðîé íå áûëî â èñõîäíîì êîëåáàíèè. ×åì áîëüøåå ÷èñëî âûáîðîê ñèãíàëà èìååòñÿ â òå÷åíèå îäíîãî ïîëóïåðèîäà, òåì ïðîùå âîññòàíîâèòü êîëåáàíèå.  óñëîâèÿõ ðåàëüíûõ ñèãíàëîâ, ñîäåðæàùèõ êîëåáàíèÿ øèðîêîãî äèàïàçîíà ÷àñòîò (íàïðèìåð, çâóêîâîé ñèãíàë çàíèìàåò äèàïàçîí ïðèìåðíî îò 16 Ãö äî 20 êÃö), îòñ÷åòíûå òî÷êè îïðåäåëÿþòñÿ èñõîäÿ èç íàèâûñøåé ÷àñòîòû ñïåêòðà. Ïîýòîìó äëÿ ñèãíàëîâ ñ ìåíüøåé ÷àñòîòîé (êîòîðûå, êàê ïðàâèëî, âñòðå÷àþòñÿ ÷àùå) ÷èñëî îòñ÷åòíûõ òî÷åê îáû÷íî áîëüøå, ÷åì îïðåäåëÿåìîå ïî òåîðåìå îòñ÷åòîâ. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. ×òî îïðåäåëÿåò òåîðåìà îòñ÷åòîâ? 2. Êàêèå òðåáîâàíèÿ ïðåäúÿâëÿþòñÿ ê øàãó äèñêðåòèçàöèè? 3. ×òî ïðîèçîéäåò, åñëè òðåáîâàíèÿ òåîðåìû íå áóäóò âûïîëíåíû?
ÃËÀÂÀ ÂÒÎÐÀß
ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÈÅ ÖÅÏÈ È ÌÅÒÎÄÛ ÈÕ ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈß. ËÈÍÅÉÍÛÅ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÈÅ ÖÅÏÈ
Ðàäèîòåõíè÷åñêîé öåïüþ íàçûâàþò ýëåêòðè÷åñêóþ öåïü, ïðåä-
íàçíà÷åííóþ äëÿ âûïîëíåíèÿ êàêèõ-ëèáî äåéñòâèé (óñèëåíèå, âûäåëåíèå, ïðåîáðàçîâàíèå è äð.) ñ ðàäèîñèãíàëàìè. Ðàçëè÷àþò ëèíåéíûå öåïè ñ ïîñòîÿííûìè ïàðàìåòðàìè, ëèíåéíûå öåïè ñ ïåðåìåííûìè ïàðàìåòðàìè è íåëèíåéíûå öåïè. Ëèíåéíîé íàçûâàåòñÿ öåïü, èñïîëüçóþùàÿ â ñâîåì ñîñòàâå ëèíåéíûå ýëåìåíòû, òî åñòü òàêèå, ó êîòîðûõ êîýôôèöèåíò ïðîïîðöèîíàëüíîñòè ìåæäó ïðèëîæåííûì ê ýëåìåíòàì íàïðÿæåíèåì è ïðîòåêàþùèì ÷åðåç íèõ òîêîì îñòàåòñÿ ïîñòîÿííûì, íå çàâèñÿùèì îò âåëè÷èí ýòèõ òîêîâ è íàïðÿæåíèé è ðàññ÷èòûâàåìûì íà îñíîâàíèè çàêîíà Îìà. Äëÿ ëèíåéíîé öåïè õàðàêòåðíî âûïîëíåíèå â íåé ïðèíöèïà ñóïåðïîçèöèè: ïðè íåñêîëüêèõ îäíîâðåìåííûõ âíåøíèõ âîçäåéñòâèÿõ (íàïðÿæåíèå èëè òîê) ðåçóëüòèðóþùèé âûõîäíîé ýôôåêò (íàïðÿæåíèå èëè òîê) ìîæíî îïðåäåëèòü ïóòåì ñóììèðîâàíèÿ, íàëîæåíèÿ (ñóïåðïîçèöèè) ýôôåêòîâ, ïîëó÷àåìûõ îò êàæäîãî èç âîçäåéñòâèé. Êðîìå òîãî, â ëèíåéíîé öåïè ñ ïîñòîÿííûìè ïàðàìåòðàìè ïðè ëþáîì ñêîëü óãîäíî ñëîæíîì âîçäåéñòâèè íå âîçíèêàåò êîëåáàíèé íîâûõ ÷àñòîò. Áûâàþò öåïè, ó êîòîðûõ êîýôôèöèåíò ïðîïîðöèîíàëüíîñòè ìåæäó ïðèëîæåííûì ê ýëåìåíòàì íàïðÿæåíèåì è ïðîòåêàþùèì ÷åðåç íèõ òîêîì íå çàâèñèò îò âåëè÷èí ýòèõ òîêîâ è íàïðÿæåíèé, íî èçìåíÿåòñÿ âî âðåìåíè. Òàêèå öåïè íàçûâàþòñÿ ëèíåéíûìè ïàðàìåòðè÷åñêèìè.  íèõ ëþáîå ïðîñòåéøåå âîçäåéñòâèå ìîæåò ñîçäàâàòü ñëîæíîå êîëåáàíèå, èìåþùåå â ñâîåì ñîñòàâå ÷àñòîòû, êîòîðûõ íå áûëî âî âõîäíîì ñèãíàëå. Åñëè ïàðàìåòðû ýëåìåíòîâ öåïè èçìåíÿþòñÿ â çàâèñèìîñòè îò âåëè÷èíû ïðèëîæåííîãî ê íèì íàïðÿæåíèÿ èëè çíà÷å-
ÃËÀÂÀ 2. ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÈÅ ÖÅÏÈ
27
íèÿ ïðîòåêàþùåãî ÷åðåç ýëåìåíòû òîêà, òî òàêàÿ öåïü íàçûâàåòñÿ íåëèíåéíîé. Äëÿ íåå õàðàêòåðíî ïîÿâëåíèå â ñïåêòðå âûõîäíîãî êîëåáàíèÿ íîâûõ ñîñòàâëÿþùèõ, êîòîðûõ íå áûëî âî âõîäíîì, è ïðèíöèï ñóïåðïîçèöèè íå âûïîëíÿåòñÿ. Ðåàëüíûå ðàäèîòåõíè÷åñêèå öåïè è âõîäÿùèå â èõ ñîñòàâ ýëåìåíòû ìîãóò áûòü îòíåñåíû ê îäíîé èç ýòèõ êëàññèôèêàöèé òîëüêî ïðè îïðåäåëåííîé ñòåïåíè èäåàëèçàöèè. Íàïðèìåð, íà÷àëüíûé ó÷àñòîê âõîäíîé õàðàêòåðèñòèêè òðàíçèñòîðà ìîæåò áûòü àïïðîêñèìèðîâàí êâàäðàòè÷íîé çàâèñèìîñòüþ òîêà îò ïðèëîæåííîãî íàïðÿæåíèÿ, òî åñòü íåëèíåéíîé çàâèñèìîñòüþ, à çíà÷èò òàêàÿ öåïü íåëèíåéíàÿ. Íî äëÿ ìàëûõ ñèãíàëîâ êàæäûé èç îòðåçêîâ òàêîãî ó÷àñòêà ìîæåò áûòü ïðåäñòàâëåí ëèíåéíûì, èìåþùèì ïîñòîÿííûé êîýôôèöèåíò ïðîïîðöèîíàëüíîñòè ìåæäó íàïðÿæåíèåì è òîêîì. Çíà÷èò, äëÿ ìàëîãî ñèãíàëà ýòî ëèíåéíàÿ öåïü. Îäíàêî êàæäûé èç îòðåçêîâ èìååò ðàçíóþ âåëè÷èíó êîýôôèöèåíòà ïðîïîðöèîíàëüíîñòè, è åñëè íà öåïü ïîäàòü îäíîâðåìåííî äâà ñèãíàëà, àìïëèòóäà îäíîãî èç êîòîðûõ ìàëà, è äëÿ êîòîðîãî öåïü áóäåò ëèíåéíîé, à äðóãîãî âåëèêà, è ïîä åå âîçäåéñòâèåì êîýôôèöèåíò ïðîïîðöèîíàëüíîñòè ëèíåéíîé öåïè áóäåò ìåíÿòüñÿ, òî äëÿ ìàëîãî ñèãíàëà ïîëó÷èì ëèíåéíóþ ïàðàìåòðè÷åñêóþ öåïü. 2.1. ÐÀÑ×ÅÒ ÖÅÏÅÉ ÏÐÈ ÑÒÀÖÈÎÍÀÐÍÛÕ ÐÅÆÈÌÀÕ Ìåòîäû ðàñ÷åòà ðàäèîòåõíè÷åñêèõ öåïåé ìíîãîîáðàçíû è èñïîëüçóþò âñå îñíîâíûå ðàçäåëû ìàòåìàòèêè, ïîýòîìó çäåñü ïðèâåäåíû òîëüêî íàèáîëåå ïðîñòûå èç íèõ, òå, êîòîðûå áóäóò èñïîëüçîâàíû â äàëüíåéøåì.  ðàäèîòåõíèêå âñå ïðîöåññû ïðèíÿòî äåëèòü íà ïåðåõîäíûå, âîçíèêàþùèå ïðè âêëþ÷åíèè è âûêëþ÷åíèè ïèòàíèÿ, ïåðåêëþ÷åíèè ñîñòîÿíèÿ àêòèâíûõ ýëåìåíòîâ è ñòàöèîíàðíûå (óñòàíîâèâøèåñÿ), èäóùèå íåèçìåííûìè äëèòåëüíîå âðåìÿ ïîñëå îêîí÷àíèÿ ïåðåõîäíûõ ïðîöåññîâ. Íàèáîëåå ÷àñòî ðàñ÷åòû ðàäèîòåõíè÷åñêèõ öåïåé âûïîëíÿþò äëÿ ñòàöèîíàðíûõ (óñòàíîâèâøèõñÿ) ïðîöåññîâ. Ðàññìîòðèì íåêîòîðûå èç íèõ. Ïðè àíàëèçå ðàäèîòåõíè÷åñêèõ öåïåé âñå âõîäÿùèå â íèõ ðåàëüíûå ýëåìåíòû (ðåçèñòîðû, êîíäåíñàòîðû, òðàíçèñòîðû, ýëåêòðîííûå ëàìïû è ò. ä.) çàìåíÿþòñÿ ìîäåëÿìè, êîòîðûå
28
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
îòðàæàþò èõ îñíîâíûå ñâîéñòâà, ïðîÿâëÿþùèåñÿ ïðè èññëåäóåìûõ ïðîöåññàõ. Òàêèå ìîäåëè ìîãóò áûòü óïðîùåííûìè èëè ïîäðîáíûìè. Íàïðèìåð, ðåçèñòîð ìîæíî ïðåäñòàâèòü è êàê ýëåìåíò, ñîçäàþùèé ñîïðîòèâëåíèå ïðîõîæäåíèþ ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà, ïðèâîäÿùåå ê íåîáðàòèìîìó ðàññåèâàíèþ ýíåðãèè, è êàê öåïü, ñîñòîÿùóþ èç ïîñëåäîâàòåëüíî ñîåäèíåííûõ ñîïðîòèâëåíèÿ è êàòóøêè èíäóêòèâíîñòè, ïàðàëëåëüíî êîòîðûì ïîäêëþ÷åí êîíäåíñàòîð. Êàæäàÿ èç ìîäåëåé èñïîëüçóåòñÿ òàì, ãäå íàèáîëåå òî÷íî îòðàæàåò ïðîèñõîäÿùèå ïðîöåññû. Àêòèâíûå ýëåìåíòû (òðàíçèñòîðû, ýëåêòðîííûå ëàìïû è ò. ä.) ïî îòíîøåíèþ ê èõ âûõîäíûì çàæèìàì çàìåíÿþòñÿ äâóïîëþñíèêàìè ëèáî ñ ýêâèâàëåíòíûì ãåíåðàòîðîì òîêà, ëèáî ñ ýêâèâàëåíòíûì ãåíåðàòîðîì ÝÄÑ. Êàê ïðàâèëî, â êà÷åñòâå òàêèõ ãåíåðàòîðîâ èñïîëüçóþòñÿ çàâèñèìûå, òî åñòü óïðàâëÿåìûå èñòî÷íèêè, â êîòîðûõ çíà÷åíèå ôîðìèðóåìîé âåëè÷èíû çàäàåòñÿ âõîäíûì òîêîì èëè íàïðÿæåíèåì. Ãåíåðàòîðîì òîêà (ðèñ. 2.1,à) íàçûâàåòñÿ óñòðîéñòâî, òîê êîòîðîãî çàâèñèò òîëüêî îò âõîäíîãî ñèãíàëà è íå çàâèñèò îò ïðèëîæåííîãî ê ãåíåðàòîðó âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ. Âîëüò-àìïåðíàÿ õàðàêòåðèñòèêà ãåíåðàòîðà ïðåäñòàâëåíà ãðàôèêîì 1 íà ðèñ. 2.1,â. Ó ãåíåðàòîðà ÝÄÑ (ðèñ. 2.1,á), íàîáîðîò, âûõîäíîå íàïðÿæåíèå îïðåäåëÿåòñÿ ëèøü âõîäíûì ñèãíàëîì è íå çàâèñèò îò âåëè÷èíû òîêà, ïîòðåáëÿåìîãî îò ãåíåðàòîðà (ãðàôèê 2 íà ðèñ. 2.1,â). Âíóòðåííåå ñîïðîòèâëåíèå èäåàëüíîãî ýêâèâàëåíòíîãî ãåíåðàòîðà òîêà ðàâíî áåñêîíå÷íîñòè, à ýêâèâàëåíòíîãî ãåíåðàòîðà ÝÄÑ ðàâíî íóëþ, è ýòî îòðàæåíî â èõ óñëîâíûõ ãðàôè÷åñêèõ îáîçíà÷åíèÿõ (âíóòðè ãåíåðàòîðà òîêà åãî âûâîäû ïîêàçàíû ðàçîìêíóòûìè, à ãåíåðàòîðà ÝÄÑ çàìêíóòûìè ìåæäó ñîáîé). Ðåàëüíûå öåïè èëè ñõåìû, çàìåíÿåìûå ãåíåðàòîðàìè, ïî îòíîøåíèþ ê ñâîèì âûõîäíûì çàæèìàì îáëàäàþò âíóòðåííèì ñîïðîòèâëåíèåì RÃ, êîòîðîå äîáàâëÿåòñÿ ê ãåíåðàòîðàì (ðèñ. 2.1,à è á). Ïðè àíàà
á
â
Ðèñ. 2.1
29
ÃËÀÂÀ 2. ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÈÅ ÖÅÏÈ
ëèçå èíîãäà öåëåñîîáðàçíî ïåðåõîäèòü îò ýêâèâàëåíòíîãî ãåíåðàòîðà ÝÄÑ ê ãåíåðàòîðó òîêà è îáðàòíî.  ýòîì ñëó÷àå âåëè÷èíà âíóòðåííåãî ñîïðîòèâëåíèÿ ãåíåðàòîðîâ îñòàåòñÿ îäíîé è òîé æå (RÃ), âåëè÷èíû òîêà è íàïðÿæåíèÿ (ÝÄÑ) ãåíåðàòîðîâ ñâÿçàíû ìåæäó ñîáîé ñîîòíîøåíèåì Ià = IÊÇ = ÅÃ/RÃ. Ïðè ýòîì òîê ãåíåðàòîðà îïðåäåëÿåòñÿ ðåæèìîì êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ â öåïè ðèñ. 2.1,á, à âåëè÷èíà ÝÄÑ çíà÷åíèåì íàïðÿæåíèÿ, âûäåëÿþùåãîñÿ íà çàæèìàõ öåïè ðèñ. 2.1,à, áåç ïîäêëþ÷åííîé ê íåé íàãðóçêè (Åà = IÃRÃ). Îäíèìè èç íàèáîëåå ÷àñòî èñïîëüçóåìûõ ïðè àíàëèçå öåïåé ÿâëÿþòñÿ çàêîíû Êèðõãîôà. Ïåðâûé çàêîí îòðàæàåò íåñïîñîáíîñòü óçëîâ öåïè (òî÷åê ñîåäèíåíèÿ ýëåìåíòîâ) íàêàïëèâàòü ýëåêòðè÷åñêóþ ýíåðãèþ: àëãåáðàè÷åñêàÿ ñóììà òîêîâ âåòâåé, ñõîäÿùèõñÿ â ëþáîì óçëå ýëåêòðè÷åñêîé öåïè, ðàâíà íóëþ 1 2 32 1 23 2 11
Ïðè çàïèñè ýòèõ óðàâíåíèé çíàêè òîêîâ, âûòåêàþùèõ èç óçëà, ïðèíÿòî ñ÷èòàòü ïîëîæèòåëüíûìè, à âòåêàþùèõ â óçåë îòðèöàòåëüíûìè. Âòîðîé çàêîí: àëãåáðàè÷åñêàÿ ñóììà íàïðÿæåíèé, äåéñòâóþùèõ íà ýëåìåíòàõ ëþáîãî çàìêíóòîãî êîíòóðà (uk), ðàâíà àëãåáðàè÷åñêîé ñóììå ÝÄÑ (en), âêëþ÷åííûõ â ýòîò êîíòóð 1
2
3 11
4 12
2 53 1 2 34 4
Îí ïîêàçûâàåò, ÷òî âñå, ÷òî îòäàåòñÿ èñòî÷íèêàìè ýíåðãèè â ýëåêòðè÷åñêóþ öåïü, òàì è ðàñïðåäåëÿåòñÿ. ×àñòíûì ñëó÷àåì ýòîãî çàêîíà ÿâëÿåòñÿ çàêîí Îìà, êîòîðûé ïîêàçûâàåò ñâÿçü ìåæäó íàïðÿæåíèåì, ïðèëîæåííûì ê ýëåìåíòó, è ïðîòåêàþùèì ÷åðåç íåãî òîêîì (i = u/Z, ãäå Z ñîïðîòèâëåíèå ýëåìåíòà, êîòîðîå â îáùåì ñëó÷àå ìîæåò èìåòü ðåçèñòèâíûé (R), ðåàêòèâíûé (èíäóêòèâíûé XL èëè åìêîñòíûé ÕÑ) èëè êîìïëåêñíûé (òîò è äðóãîé Z = R + jXL jXÑ) õàðàêòåð. Ýòè çàêîíû ðàñïðîñòðàíÿþòñÿ íà ïîñòîÿííûå è ïåðåìåííûå íàïðÿæåíèÿ è òîêè; íà èõ ìãíîâåííûå è àìïëèòóäíûå çíà÷åíèÿ; à ïðè ïðåäñòàâëåíèè êîëåáàíèé â ïîêàçàòåëüíîé êîìïëåêñíîé ôîðìå íóæíî ñîîòâåòñòâóþùèì îáðàçîì ó÷èòûâàòü íà÷àëüíûå ôàçîâûå óãëû ýòèõ âåëè÷èí. Ïðåäñòàâëåíèå êîëåáàíèé â ïîêàçàòåëüíîé êîìïëåêñíîé ôîðìå è ïðîâåäåíèå
30
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
íàä íèìè àëãåáðàè÷åñêèõ îïåðàöèé íàçûâàåòñÿ ñèìâîëè÷åñêèì ìåòîäîì ðàñ÷åòà ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé. Ïðè çàïèñè ðåàêòèâíûõ ñîïðîòèâëåíèé öåïè íóæíî ïîìíèòü, ÷òî òîê, ïðîòåêàþùèé ÷åðåç èäåàëüíûé èíäóêòèâíûé ýëåìåíò, îòñòàåò îò ïðèëîæåííîãî íàïðÿæåíèÿ íà óãîë, ðàâíûé p/2 (ïðè ïðèëîæåíèè íàïðÿæåíèÿ ê èíäóêòèâÐèñ. 2.2 íîìó ýëåìåíòó â íåì âîçíèêàåò ÝÄÑ ñàìîèíäóêöèè, êîòîðàÿ ïðåïÿòñòâóåò ïðîòåêàíèþ òîêà), ïîýòîìó ñîïðîòèâëåíèå ýëåìåíòà ZL = jÕL = jwL. Ïðè ïðîòåêàíèè ÷åðåç èäåàëüíûé åìêîñòíîé ýëåìåíò (êîíäåíñàòîð) òîê îïåðåæàåò ïðèëîæåííîå íàïðÿæåíèå íà óãîë, ðàâíûé p/2. Òîê ÷åðåç êîíäåíñàòîð îïðåäåëÿåòñÿ ÷èñëîì ýëåêòðîíîâ, êîòîðûå ïåðåìåñòÿòñÿ íà åãî îáêëàäêè è ïðèâåäóò ê íàêîïëåíèþ òàì çàðÿäîâ, à çíà÷èò, ñîçäàäóò íàïðÿæåíèå. Åìêîñòíîå ñîïðîòèâëåíèå ýëåìåíòà ZC = jÕÑ = j/wÑ. Ïðè àíàëèçå ïðîöåññîâ î÷åíü ÷àñòî ñëîæíûå ýêâèâàëåíòíûå ñõåìû â èòîãå ïðèâîäÿòñÿ ê ïðîñòåéøåìó äåëèòåëþ íàïðÿæåíèÿ (ðèñ. 2.2), íà îäíîì èç ðåçèñòîðîâ êîòîðîãî è âûäåëÿåòñÿ àíàëèçèðóåìîå íàïðÿæåíèå (UÂÛÕ). Êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è òàêîé öåïè K = UÂÛÕ/Å = I Z2/Å = = Z2/(Z1 + Z2), ãäå I = Å/(Z1 + Z2) òîê, ïðîòåêàþùèé ïî öåïè. Åñëè ñîïðîòèâëåíèå Z èìååò ðåçèñòèâíûé õàðàêòåð Z = R, òî K = R2/(R1 + R2). Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Êàêèå ïðîöåññû íàçûâàþòñÿ óñòàíîâèâøèìèñÿ? 2. ×åì ýêâèâàëåíòíûé ãåíåðàòîð òîêà îòëè÷àåòñÿ îò ýêâèâàëåíòíîãî ãåíåðàòîðà ÝÄÑ? 3. Ñôîðìóëèðóéòå ïåðâûé è âòîðîé çàêîíû Êèðõãîôà.
2.2. ÀÍÀËÈÇ ÏÅÐÅÕÎÄÍÛÕ ÏÐÎÖÅÑÑΠ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÈÕ ÖÅÏßÕ Ïðè âêëþ÷åíèè è âûêëþ÷åíèè ïèòàíèÿ, ïåðåêëþ÷åíèÿõ è ò. ä. ñòàöèîíàðíûå èëè óñòàíîâèâøèåñÿ ïðîöåññû â öåïÿõ âîçíèêàþò íå ñðàçó, à ñïóñòÿ íåêîòîðîå âðåìÿ ïîñëå ïåðåêëþ÷åíèÿ. Äåéñòâóþùèå îò íà÷àëà âîçäåéñòâèÿ â öåïè äî óñòàíîâèâøåãîñÿ ñîñòîÿíèÿ ïðîöåññû íàçûâàþòñÿ ïåðåõîäíûìè, îíè ñóùåñòâåííî îòëè÷àþòñÿ îò ñòàöèîíàðíûõ è îïðåäåëÿþòñÿ
31
ÃËÀÂÀ 2. ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÈÅ ÖÅÏÈ
íàëè÷èåì â öåïè ðåàêòèâíûõ ýëåìåíòîâ, êîòîðûå íàêàïëèâàþò è ïåðåðàñïðåäåëÿþò ýíåðãèþ. Ïðè ðàñ÷åòàõ ó÷èòûâàåòñÿ, ÷òî â ìîìåíòû êîììóòàöèè, ñîïðîâîæäàþùèå íà÷àëî ïåðåõîäíûõ ïðîöåññîâ, òîê, ïðîòåêàþùèé ÷åðåç èíäóêòèâíûå ýëåìåíòû, è íàïðÿæåíèÿ, äåéñòâóþùèå íà åìêîñòíûõ ýëåìåíòàõ, ìãíîâåííî èçìåíÿòüñÿ íå ìîãóò è îñòàþòñÿ òåìè æå, ÷òî è äî êîììóòàöèè. Îäíèì èç ñïîñîáîâ ðàñ÷åòà íàïðÿæåíèé è òîêîâ â ýëåìåíòàõ öåïè ïðè ïåðåõîäíûõ ïðîöåññàõ ÿâëÿåòñÿ ñîñòàâëåíèå è ðåøåíèå èíòåãðî-äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé äëÿ ìãíîâåííûõ çíà÷åíèé òîêîâ è íàïðÿæåíèé. Òàêîé ìåòîä íàçûâàåòñÿ êëàññè÷åñêèì. Ðàññìîòðèì ïðèìåíåíèå åãî äëÿ àíàëèçà ïåðåõîäíûõ ïðîöåññîâ â öåïÿõ, ñîäåðæàùèõ îäèí èç òèïîâ ðåàêòèâíîñòåé (ëèáî òîëüêî èíäóêòèâíîñòè, ëèáî òîëüêî åìêîñòè), êîòîðûå íàçûâàþòñÿ öåïÿìè ïåðâîãî ïîðÿäêà. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî â èñõîäíîì ñîñòîÿíèè êëþ÷ Êë (ðèñ. 2.3,à) ðàçîìêíóò, êàòóøêà èíäóêòèâíîñòè L íå ñîäåðæèò çàïàñåííîé ýíåðãèè, íàïðÿæåíèå íà íåé uL = 0, òîê ïî öåïè íå ïðîòåêàåò, è íàïðÿæåíèå íà ðåçèñòîðå R òàê æå îòñóòñòâóåò (uR = 0). Çàìêíåì êëþ÷ Êë, ïîäàâàÿ íà âõîä RL-öåïè ïîñòîÿííîå íàïðÿæåíèå ÅÇÀÐ. Ñîãëàñíî âòîðîìó çàêîíó Êèðõãîôà ñóììà íàïðÿæåíèé íà ýëåìåíòàõ îáðàçóþùåãîñÿ çäåñü êîíòóðà ðàâíà ñóììå ÝÄÑ, äåéñòâóþùèõ â íåì, òî åñòü â ëþáîé ìîìåíò âðåìåíè: ÅÇÀÐ = uR (t) + uL (t). (2.1)  íà÷àëüíûé ìîìåíò (t = 0) òîê â öåïè i(t = 0) = 0, uR (t) = = iR = 0 è âñå íàïðÿæåíèå ÅÇÀÐ îêàçûâàåòñÿ ïðèëîæåííûì ê êàòóøêå L: uL = ÅÇÀÐ. Òîê, êîòîðûé äîëæåí áûë áû ïðîòåêàòü ÷åðåç êàòóøêó èíäóêòèâíîñòè ïîä äåéñòâèåì ÅÇÀÐ, ìãíîâåííî èçìåíèòüñÿ íå ìîæåò, òàê êàê ëþáîå åãî èçìåíåíèå âûçûâàåò ïîÿâëåíèå â êàòóøêå ìàãíèòíîãî ïîòîêà è ñâÿçàííóþ ñ íèì ÝÄÑ ñàìîèíäóêöèè. Ïðè÷åì â íà÷àëüíûé ìîìåíò, êîãäà à
á
â
Ðèñ. 2.3
32
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
èçìåíåíèå òîêà ìàêñèìàëüíî (äî ýòîãî åãî íå áûëî), âåëè÷èíà ÝÄÑ ñàìîèíäóêöèè íàèáîëüøàÿ. Îíà íàïðàâëåíà íàâñòðå÷ó ÅÇÀÐ è êîìïåíñèðóåò âîçäåéñòâèå ýòîãî íàïðÿæåíèÿ, à çíà÷èò, ïðåïÿòñòâóåò èçìåíåíèþ òîêà â êàòóøêå. Óìåíüøåíèå èçìåíåíèÿ òîêà ñíèæàåò âåëè÷èíó ÝÄÑ ñàìîèíäóêöèè, è ñîçäàþòñÿ óñëîâèÿ ïðîòåêàíèÿ òîêà. Òàêèì îáðàçîì, ïðîèñõîäèò åãî ïëàâíîå íàðàñòàíèå ÷åðåç êàòóøêó èíäóêòèâíîñòè (ñì. ðèñ. 2.3,á).  ýòîì ñëó÷àå íà ðåçèñòîðå R ïîÿâëÿåòñÿ, à çàòåì è óâåëè÷èâàåòñÿ íàïðÿæåíèå uR (t). Åãî âîçðàñòàíèå ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ íàïðÿæåíèÿ íà êàòóøêå uL(t) = ÅÇÀÐ uR (t) (ðèñ. 2.3,â), à çíà÷èò, óìåíüøåíèþ âîçìîæíîãî èçìåíåíèÿ òîêà ÷åðåç íåå è çàìåäëåíèþ ïðîöåññà íàðàñòàíèÿ òîêà (ðèñ. 2.3,á). Òåïåðü åãî âåëè÷èíà âñå áîëüøå îïðåäåëÿåòñÿ ñîïðîòèâëåíèåì R, è èìåííî ýòî çíà÷åíèå òîêà áóäåò ïðîòåêàòü ïî îêîí÷àíèè ïåðåõîäíîãî ïðîöåññà, òî åñòü â óñëîâèÿõ ñòàöèîíàðíîãî ðåæèìà. Äëÿ ÷èñëåííûõ ðàñ÷åòîâ âûðàçèì â (2.1) íàïðÿæåíèÿ ÷åðåç ìãíîâåííîå çíà÷åíèå òîêîâ. Íàïîìíèì, ÷òî íàïðÿæåíèå íà êàòóøêå ñâÿçàíî ñ ïðîòåêàþùèì ÷åðåç íåå òîêîì ñîîòíîøåíèåì uL = L di/dt, ãäå L èíäóêòèâíîñòü êàòóøêè, i ìãíîâåííîå çíà÷åíèå òîêà. ÅÇÀÐ = R i(t) + uL (t) = R i(t) + L di/dt.
(2.2)
Ýòî ëèíåéíîå íåîäíîðîäíîå äèôôåðåíöèàëüíîå óðàâíåíèå ïåðâîãî ïîðÿäêà, ðåøåíèå êîòîðîãî ñîñòîèò èç äâóõ ñëàãàåìûõ. Ïåðâîå ÷àñòíîå ðåøåíèå íåîäíîðîäíîãî óðàâíåíèÿ, ïîêàçûâàþùåå óñòàíîâèâøååñÿ çíà÷åíèå íåçàâèñèìîé ïåðåìåííîé, â äàííîì ñëó÷àå i(t), ïðè ïðîìåæóòêå âðåìåíè, çíà÷èòåëüíî ïðåâûøàþùåì äëèòåëüíîñòü ïåðåõîäíîãî ïðîöåññà (t ® ¥), òî åñòü â ñòàöèîíàðíîì ðåæèìå: i(t) = i(t = ¥). Çäåñü ýòî òîê, êîòîðûé áóäåò ïðîòåêàòü ÷åðåç öåïü ïðè ÝÄÑ ñàìîèíäóêöèè, ðàâíîé íóëþ: i(t = ¥) = ÅÇÀÐ/R. Âòîðîå îáùåå ðåøåíèå îäíîðîäíîãî äèôôåðåíöèàëüíîãî óðàâíåíèÿ, â êîòîðîì ÅÇÀÐ = 0. Îíî èìååò âèä: i(t) = À åõð[t/(R/L)], ãäå À ïîñòîÿííûé êîýôôèöèåíò, îïðåäåëÿåìûé íà÷àëüíûìè óñëîâèÿìè. Òîãäà â îáùåì âèäå ðåøåíèå óðàâíåíèÿ (2.2) ìîæåò áûòü çàïèñàíî òàê: i(t) = i(t = ¥) + À åõð[t/(R/L)]. Êàê óæå óêàçûâàëîñü, i(t = ¥) = ÅÇÀÐ/R. Ïðè îïðåäåëåíèè êîýôôèöèåíòà À ñëåäóåò ó÷åñòü, ÷òî â ìîìåíò êîììóòàöèè i(t = 0) = 0, òîãäà
ÃËÀÂÀ 2. ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÈÅ ÖÅÏÈ
33
äëÿ ýòîãî ìîìåíòà âðåìåíè ìîæíî çàïèñàòü: 0 = ÅÇÀÐ/R + + À åõð[(t = 0)/(R/L)], îòêóäà À = ÅÇÀÐ/R. Òàêèì îáðàçîì, i(t) = (EÇÀÐ/R){1 eõp[t/(R/L)]} = = (EÇÀÐ/R)[1 eõp(t/tL)],
(2.3)
ãäå tL = R/L ïîñòîÿííàÿ âðåìåíè öåïè: âðåìÿ, â òå÷åíèå êîòîðîãî òîê ÷åðåç ðåàêòèâíûé ýëåìåíò (â äàííîì ñëó÷àå êàòóøêó èíäóêòèâíîñòè) èçìåíÿåòñÿ â å ðàç (ãäå å » 2,72 îñíîâàíèå íàòóðàëüíîãî ëîãàðèôìà). Ôîðìà òîêà è âûäåëÿþùåãîñÿ îò åãî ïðîòåêàíèÿ ÷åðåç ðåçèñòîð R íàïðÿæåíèÿ uR (t) ñîâïàäàþò, à âåëè÷èíà uR (t) ìîæåò áûòü íàéäåíà ïî ôîðìóëå uR (t) = i(t) R. Íàïðÿæåíèå íà êàòóøêå èíäóêòèâíîñòè uL (t) = ÅÇÀÐ uR (t) = ÅÇÀÐ exp(t/tL). Êàê óæå óêàçûâàëîñü â ðàçäåëå 1.4, ñâÿçü ìåæäó âðåìåííû´ìè è ÷àñòîòíûìè õàðàêòåðèñòèêàìè ñèãíàëîâ ïîçâîëÿåò êà÷åñòâåííî îöåíèâàòü ïðîöåññû, ïðîèñõîäÿùèå â ðàäèîòåõíè÷åñêèõ öåïÿõ. Íàïîìíèì, ÷òî ìàëûì âðåìåííû´ì èíòåðâàëàì ñèãíàëà ñîïîñòàâëÿþò ðåàêöèþ öåïè ïðè âîçäåéñòâèè íà íåå ãàðìîíè÷åñêîãî êîëåáàíèÿ âûñîêèõ ÷àñòîò, à áîëüøèì âðåìåííû´ì èíòåðâàëàì íèçêèõ ÷àñòîò. Ïðîèëëþñòðèðóåì ýòî ñîîòâåòñòâèå íà ïðèìåðå ñõåìû ðèñ. 2.3,à, ðàññìîòðåâ ïðåäåëüíûå ñëó÷àè: èíòåðâàëû ïîäêëþ÷åíèÿ íàïðÿæåíèÿ ÅÇÀÐ è óñòàíîâèâøèéñÿ â öåïè ðåæèì. Ïåðâûì èç íèõ ñîîòâåòñòâóåò âîçäåéñòâèå íà öåïü ãàðìîíè÷åñêèõ êîëåáàíèé âûñîêèõ ÷àñòîò (w ® ¥), ïðè êîòîðîì ñîïðîòèâëåíèå êàòóøêè èíäóêòèâíîñòè XL = wL ® ¥, òîê â öåïè i(t) ® 0, à íàïðÿæåíèå íà êàòóøêå uL ® ÅÇÀÐ. Ýòî ñîâïàäàåò ñ ãðàôèêàìè ðèñ. 2.3,á è â. Óñòàíîâèâøåìóñÿ ðåæèìó ñîîòâåòñòâóåò âîçäåéñòâèå íà öåïü ãàðìîíè÷åñêèõ êîëåáàíèé íèçêèõ ÷àñòîò (w ® 0).  ýòîì ñëó÷àå XL = wL ® 0, òîê â öåïè i(t) ® ÅÇÀÐ/R, à íàïðÿæåíèå íà êàòóøêå uL ® 0, ÷òî òàêæå ñîâïàäàåò ñ ãðàôèêàìè ðèñ. 2.3. Ïðîìåæóòî÷íûì âðåìåííû´ì èíòåðâàëàì áóäóò ñîîòâåòñòâîâàòü ÷àñòîòû 0 = w = ¥, ïðè êîòîðûõ è íàõîäÿòñÿ ñîîòâåòñòâóþùèå íàïðÿæåíèå è òîê. Ïåðåõîäíûå ïðîöåññû õàðàêòåðèçóþòñÿ èíòåðâàëàìè âðåìåíè, â òå÷åíèå êîòîðûõ îíè ïðîèñõîäÿò. Çíàÿ íà÷àëüíûå è êîíå÷íûå çíà÷åíèÿ èçìåíåíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà ýëåìåíòàõ èëè òîêà â íèõ, ìîæíî ïî ïðèâåäåííûì ôîðìóëàì îïðåäåëèòü ñîîòâåòñòâóþùèå èíòåðâàëû. Íàïðèìåð, åñëè íàïðÿæåíèå íà
34
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
ðåçèñòîðå èçìåíÿåòñÿ îò çíà÷åíèÿ 0 äî 0,9ÅÇÀÐ, òî äëÿ ïåðâîãî åãî çíà÷åíèÿ ìîæíî çàïèñàòü: 0 = ÅÇÀÐ[1 åõð(t1/tL)], îòêóäà t1 = 0; äëÿ âòîðîãî: 0,9ÅÇÀÐ = ÅÇÀÐ[1 åõð(t2/tL)], è t2 = tL ln 0,1, òîãäà Dt = t2 t1 = tL ln 0,1 » 2,3tL. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Êàêèå ïðîöåññû íàçûâàþòñÿ ïåðåõîäíûìè? 2. Êàêèå îñîáåííîñòè ïðîòåêàíèÿ òîêà ÷åðåç êàòóøêó èíäóêòèâíîñòè è íàêîïëåíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà êîíäåíñàòîðå â ìîìåíòû êîììóòàöèè âû çíàåòå? 3. Îáîñíóéòå óðàâíåíèå (2.2) äëÿ öåïè, ïðèâåäåííîé íà ðèñ. 2.3,à. 4. Ðàññêàæèòå îá îñîáåííîñòÿõ åãî ðåøåíèÿ. 5. Íà îñíîâå ñâÿçè ìåæäó âðåìåííû´ìè è ÷àñòîòíûìè õàðàêòåðèñòèêàìè ñèãíàëîâ ïîäòâåðäèòå ïðàâèëüíîñòü ïîñòðîåíèÿ ïåðåõîäíûõ ïðîöåññîâ â öåïè. 6. Âûâåäèòå ôîðìóëó ðàñ÷åòà äëèòåëüíîñòè ïåðåõîäíûõ ïðîöåññîâ.
ÃËÀÂÀ ÒÐÅÒÜß
ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÏÐÈÁÎÐÛ È ÊÎÌÏÎÍÅÍÒÛ
Îñíîâîé ïîñòðîåíèÿ ïðàêòè÷åñêè âñåõ ðàäèîòåõíè÷åñêèõ óñòðîéñòâ ÿâëÿþòñÿ àêòèâíûå ýëåìåíòû: òðàíçèñòîðû, îïåðàöèîííûå óñèëèòåëè (êîòîðûå âñå ÷àùå ðàññìàòðèâàþòñÿ êàê îòäåëüíûå ñàìîñòîÿòåëüíûå àêòèâíûå áàçîâûå ýëåìåíòû) è ýëåêòðîííûå ëàìïû. Îñîáåííîñòè èõ âêëþ÷åíèÿ è ðåæèìîâ ðàáîòû âî ìíîãîì îïðåäåëÿþò ïîêàçàòåëè, äîñòèãàåìûå â îáîðóäîâàíèè, ïîýòîìó ðàññìîòðåíèå ýòèõ âîïðîñîâ âàæíî äëÿ ïðàâèëüíîãî ïîíèìàíèÿ ïðîèñõîäÿùèõ â àïïàðàòóðå ïðîöåññîâ.  íàñòîÿùåå âðåìÿ î÷åíü ÷àñòî â êà÷åñòâå óñòðîéñòâ âûâîäà èíôîðìàöèè, â òîì ÷èñëå è â ðàäèîëþáèòåëüñêîé ïðàêòèêå, èñïîëüçóþò ñâåòîâîñïðîèçâîäÿùèå ýëåìåíòû è èíäèêàòîðû. Ïîñòðîåíèå èõ ïî ðàçëè÷íûì ïðèíöèïàì ïðèâîäèò ê íåîáõîäèìîñòè ó÷åòà ñóùåñòâóþùèõ îñîáåííîñòåé ïðè ïðàêòè÷åñêîì èñïîëüçîâàíèè, à çíà÷èò, õîòÿ áû êðàòêîì ðàññìîòðåíèè ïðèíöèïîâ èõ ðàáîòû. 3.1. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ËÀÌÏÛ 3.1.1. ÏÐÈÍÖÈÏ ÄÅÉÑÒÂÈß È ÊÎÍÑÒÐÓÊÒÈÂÍÛÅ ÎÑÎÁÅÍÍÎÑÒÈ ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÕ ËÀÌÏ
Ýëåêòðîííûå ëàìïû è èîííûå (ãàçîðàçðÿäíûå) ïðèáîðû îòíîñÿòñÿ ê ýëåêòðîâàêóóìíûì ïðèáîðàì óñòðîéñòâàì, ðàáîòà êîòîðûõ îñíîâàíà íà âçàèìîäåéñòâèè ýëåêòðîíîâ, äâèæóùèõñÿ â âàêóóìå èëè ãàçîîáðàçíîé ñðåäå, ñ ýëåêòðè÷åñêèì èëè ìàãíèòíûì ïîëÿìè.  íàñòîÿùåå âðåìÿ â ðàäèîòåõíè÷åñêèõ óñòðîéñòâàõ ýëåêòðîííûå ëàìïû âñå áîëüøå âûòåñíÿþòñÿ
36
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
ïîëóïðîâîäíèêîâûìè ïðèáîðàìè. Îäíàêî ïðîäîëæàþùååñÿ ïîêà èñïîëüçîâàíèå ëàìï â íåêîòîðîì îáîðóäîâàíèè è ïîñòðîåíèå íà èõ îñíîâå äðóãèõ òèïîâ ýëåêòðîâàêóóìíûõ ïðèáîðîâ äåëàþò öåëåñîîáðàçíûì êðàòêîå ðàññìîòðåíèå ðàáîòû ïðîñòåéøèõ ýëåêòðîííûõ ëàìï. Ðàáîòà ýëåêòðîííûõ ëàìï îñíîâàíà íà ïåðåìåùåíèè ýëåêòðîíîâ â ýëåêòðè÷åñêîì ïîëå. Ýëåêòðîä, èñïóñêàþùèé ýëåêòðîíû, íàçûâàåòñÿ êàòîäîì. ßâëåíèå èñïóñêàíèÿ ýëåêòðîíîâ íàçûâàåòñÿ ýëåêòðîííîé ýìèññèåé. Ñóùåñòâóåò íåñêîëüêî âèäîâ ýëåêòðîííîé ýìèññèè, íî íàèáîëüøåå ðàñïðîñòðàíåíèå â ýëåêòðîííûõ ëàìïàõ íàøëè òåðìîýëåêòðîííàÿ, ýëåêòðîñòàòè÷åñêàÿ è âòîðè÷íàÿ ýëåêòðîííàÿ ýìèññèè. Òåðìîýëåêòðîííîé ýìèññèåé íàçûâàåòñÿ èñïóñêàíèå ýëåêòðîíîâ ìåòàëëîì ïîä äåéñòâèåì âûñîêîé òåìïåðàòóðû. Îäíèì èç îñíîâíûõ èñïîëüçóåìûõ äëÿ ýòîãî ìàòåðèàëîâ ÿâëÿåòñÿ âîëüôðàì. Îäíàêî òàêèå êàòîäû äîëæíû áûòü íàãðåòû äî âåñüìà âûñîêîé òåìïåðàòóðû (21002300°C), ÷òî óõóäøàåò òåïëîâîé ðåæèì ëàìïû è òðåáóåò äëÿ åå ðàçîãðåâà çíà÷èòåëüíîãî ðàñõîäà ýíåðãèè. Âîçìîæíîñòü ñíèæåíèÿ òåìïåðàòóðû ðàçîãðåâà äî 700900°C äîñòèãàåòñÿ íàíåñåíèåì íà ìåòàëë âåùåñòâ, óâåëè÷èâàþùèõ ýìèññèþ. Òàêèå êàòîäû íàçûâàþòñÿ àêòèâèðîâàííûìè. Íàèáîëåå ÷àñòî äëÿ ýòèõ öåëåé èñïîëüçóþòñÿ îêèñëû ùåëî÷íîçåìåëüíûõ ìåòàëëîâ (îêñèäíûå êàòîäû).  ýòîì ñëó÷àå ïîëîæèòåëüíûå èîíû îêñèäîâ, íàõîäÿùèåñÿ íà ïîâåðõíîñòè ìåòàëëà, îáðàçóþò ñ íèì ýëåêòðè÷åñêîå ïîëå, êîòîðîå äëÿ ýëåêòðîíîâ êàòîäà ÿâëÿåòñÿ óñêîðÿþùèì. Ýòî óïðîùàåò èõ îòäåëåíèå, à çíà÷èò, ïîçâîëÿåò ñíèçèòü òåìïåðàòóðó ðàçîãðåâà êàòîäà. Ðàçîãðåâ êàòîäà îñóùåñòâëÿåòñÿ íèòüþ íàêàëà ëàìïû. Íàêàë ìîæåò áûòü ïðÿìîé (íåïîñðåäñòâåííûé), êîãäà êàòîä ðàçîãðåâàåòñÿ ýëåêòðè÷åñêèì òîêîì, ïðîïóñêàåìûì íåïîñðåäñòâåííî ÷åðåç íåãî; è êîñâåííûé, êîãäà äëÿ ðàçîãðåâà êàòîäà èñïîëüçóåòñÿ îòäåëüíàÿ íèòü íàêàëà, ðàñïîëîæåííàÿ âíóòðè öèëèíäðè÷åñêîãî êàòîäà (ðèñ. 3.1).  ëþáîì ñëó÷àå, ïðè Ðèñ. 3.1
ÃËÀÂÀ 3. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÏÐÈÁÎÐÛ È ÊÎÌÏÎÍÅÍÒÛ
37
ðàçîãðåâå èç ìåòàëëà èñïóñêàþòñÿ ýëåêòðîíû, ñîçäàþùèå âîêðóã êàòîäà ýëåêòðîííîå îáëàêî. Äëÿ ïðîòåêàíèÿ ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà ýòè ýëåêòðîíû íåîáõîäèìî ïåðåäàòü íà äðóãîé ýëåêòðîä, íàçûâàåìûé àíîäîì. ×òîáû êàê ìîæíî áîëüøåå ÷èñëî ýëåêòðîíîâ ïåðåõîäèëî îò êàòîäà ê àíîäó, îáà ýòè ýëåêòðîäà äåëàþò öèëèíäðè÷åñêèìè è âñòàâëÿþò ïåðâûé âî âòîðîé (ðèñ. 3.1). Ñëåäóþùèì âèäîì ýëåêòðîííîé ýìèññèè, íàèáîëåå ÷àñòî âîçíèêàþùåé â ýëåêòðîííûõ ëàìïàõ, ÿâëÿåòñÿ âòîðè÷íàÿ ýëåêòðîííàÿ ýìèññèÿ.  ýòîì ñëó÷àå âåùåñòâî (êàê ïðàâèëî, ýòî ìåòàëë àíîäà) áîìáàðäèðóåòñÿ ýëåêòðîíàìè (îíè íàçûâàþòñÿ ïåðâè÷íûìè), â ðåçóëüòàòå ÷åãî èç íåãî âûáèâàþòñÿ äðóãèå ýëåêòðîíû, íàçûâàåìûå âòîðè÷íûìè. Îáû÷íî òàêàÿ ýìèññèÿ ÿâëÿåòñÿ ïàðàçèòíîé è óõóäøàåò ðàáîòó ëàìïû. Åùå îäíèì âèäîì ýìèññèè â ýëåêòðîííûõ ëàìïàõ, ÿâëÿåòñÿ ýëåêòðîñòàòè÷åñêàÿ ýìèññèÿ. Îíà çàêëþ÷àåòñÿ â âûðûâàíèè ýëåêòðîíîâ èç ìåòàëëà ïîä äåéñòâèåì ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ áîëüøîé íàïðÿæåííîñòè, âîçíèêàåò ïðè ïîâûøåíèè íàïðÿæåíèÿ ìåæäó àíîäîì è êàòîäîì è äîïîëíÿåò òåðìîýëåêòðîííóþ ýìèññèþ. Ýëåêòðîäû ëàìïû ïîìåùàþò â ìåòàëëè÷åñêèé èëè ñòåêëÿííûé áàëëîí, â êîòîðîì ñîçäàþò âàêóóì. Ýòî óìåíüøàåò âîçìîæíîñòü ñòîëêíîâåíèÿ ýëåêòðîíîâ ñ ìîëåêóëàìè âîçäóõà ïðè ïåðåíîñå ýëåêòðîíîâ îò êàòîäà ê àíîäó è ïîâûøàåò ýôôåêòèâíîñòü ðàáîòû ýëåêòðîííîé ëàìïû. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. 2. 3. 4.
Êàêèå ýëåêòðîäû íàçûâàþò êàòîäîì è àíîäîì? Ðàññêàæèòå î âèäàõ ýëåêòðîííîé ýìèññèè. ×åì îòëè÷àåòñÿ ïðÿìîé íàêàë îò êîñâåííîãî? Ïî÷åìó â àêòèâèðîâàííûõ êàòîäàõ òðåáóåìàÿ äëÿ íîðìàëüíîé ðàáîòû ëàìïû òåìïåðàòóðà êàòîäà ïîíèæàåòñÿ? 3.1.2. ÄÈÎÄ
Ýëåêòðîííàÿ ëàìïà, ñîñòîÿùàÿ èç àíîäà è êàòîäà, íàçûâàåòñÿ äèîäîì. Åãî ãðàôè÷åñêîå óñëîâíîå îáîçíà÷åíèå ïðèâåäåíî íà ðèñ. 3.2,à è á, íà ïåðâîì èç êîòîðûõ ïîêàçàí äèîä ñ ïðÿìûì, à íà âòîðîì ñ êîñâåííûì íàêàëîì êàòîäà. Ðàññìîòðèì ðàáîòó äèîäà. Ïðè ïîäà÷å íà ëàìïó íàïðÿæåíèÿ íàêàëà è íàãðåâå êàòîäà èç íåãî íà÷èíàþò âûëåòàòü ýëåêòðîíû,
38
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
à
á
Ðèñ. 3.2
Ðèñ. 3.3
îáðàçóÿ ýëåêòðîííîå îáëàêî. Îíî â îñíîâíîì êîíöåíòðèðóåòñÿ âîêðóã êàòîäà, íî íåêîòîðûå èç ýëåêòðîíîâ îáëàäàþò âûñîêèìè ñêîðîñòÿìè, ïîçâîëÿþùèìè ïðåîäîëåòü ðàññòîÿíèå ìåæäó êàòîäîì è àíîäîì è îñåñòü íà ïîñëåäíåì.  ýòîì ñëó÷àå ÷åðåç äèîä ìîæåò ïðîòåêàòü òîê äàæå ïðè íàïðÿæåíèè àíîä êàòîä UÀÊ = 0 (ðèñ. 3.3). Äëÿ ïðåêðàùåíèÿ ýòîãî òîêà íà àíîä ïî îòíîøåíèþ ê êàòîäó íóæíî ïîäàòü îòðèöàòåëüíûé ïîòåíöèàë, êîòîðûé ñîçäàñò òîðìîçÿùåå ïîëå, îòòàëêèâàþùåå ýëåêòðîíû îò àíîäà. Åñëè íà àíîä ïî îòíîøåíèþ ê êàòîäó ïîäàíî ïîëîæèòåëüíîå íàïðÿæåíèå, òî äëÿ ýëåêòðîíîâ, íàõîäÿùèõñÿ ìåæäó ýòèìè ýëåêòðîäàìè, ñîçäàåòñÿ óñêîðÿþùåå ïîëå, îíè íà÷èíàþò ïåðåìåùàòüñÿ ê àíîäó è åãî òîê óâåëè÷èâàåòñÿ (ðèñ. 3.3). Âåëè÷èíà 123 6 ãäå ýòîãî òîêà ìîæåò áûòü îïðåäåëåíà ïî ôîðìóëå 14 1 23 45 q êîýôôèöèåíò, çàâèñÿùèé îò ãåîìåòðè÷åñêèõ ðàçìåðîâ êàòîäà è àíîäà. Ïî ìåðå óâåëè÷åíèÿ UÀÊ âñå áîëüøåå ÷èñëî ýëåêòðîíîâ óõîäèò íà àíîä è ýëåêòðîííîå îáëàêî óìåíüøàåòñÿ. Íàêîíåö, ïðè íåêîòîðîì íàïðÿæåíèè UÀÊ ÍÀÑ âñå ýëåêòðîíû, èñïóñêàåìûå êàòîäîì, ñðàçó æå ëåòÿò ê àíîäó, è ïðè äàëüíåéøåì óâåëè÷åíèè íàïðÿæåíèÿ íà âîëüò-àìïåðíîé õàðàêòåðèñòèêå äîëæåí áûë áû ïîÿâèòüñÿ ãîðèçîíòàëüíûé ó÷àñòîê (íà ðèñ. 3.3 ïîêàçàíî øòðèõàìè). Ýòîò ðåæèì íàçûâàåòñÿ íàñûùåíèåì. Îäíàêî íà õàðàêòåðèñòèêàõ ðåàëüíûõ äèîäîâ îí âûðàæåí íå ñòîëü ÿâíî, è ñ óâåëè÷åíèåì íàïðÿæåíèÿ UÀÊ íà íèõ âñåãäà íàáëþäàåòñÿ óâåëè÷åíèå òîêà. Ýòî ñâÿçàíî êàê ñ óâåëè÷åíèåì ýìèññèîííîé ñïîñîáíîñòè êàòîäà çà ñ÷åò åãî äîïîëíèòåëüíîãî ðàçîãðåâà ïðîòåêàþùèì ðàáî÷èì (êàòîäíûì) òîêîì, òàê è ïîÿâëåíèåì ýëåêòðîñòàòè÷åñêîé ýìèññèè. Ðàññìîòðåííàÿ çàâèñèìîñòü àíîäíîãî òîêà IÀ îò íàïðÿæåíèÿ àíîä êàòîä UÀÊ íàçûâàåòñÿ àíîäíîé õàðàêòåðèñòèêîé ëàìïû.
ÃËÀÂÀ 3. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÏÐÈÁÎÐÛ È ÊÎÌÏÎÍÅÍÒÛ
39
Îáðàòèì âíèìàíèå íà òî, ÷òî çäåñü è äàëåå íàïðÿæåíèÿ èñòî÷íèêîâ ïèòàíèÿ îáîçíà÷àþòñÿ áóêâîé Å, à íàïðÿæåíèÿ ìåæäó âûâîäàìè ýëåêòðîäîâ U, äàæå åñëè îíè ñîåäèíåíû ïàðàëëåëüíî è îêàçûâàþòñÿ îäèíàêîâûìè (îäíèìè è òåìè æå). Äëÿ îöåíêè ñâîéñòâ äèîäîâ èñïîëüçóþòñÿ ñëåäóþùèå ïàðàìåòðû: êðóòèçíà àíîäíîé õàðàêòåðèñòèêè è âíóòðåííåå äèôôåðåíöèàëüíîå (òî åñòü äëÿ ïðèðàùåíèé) ñîïðîòèâëåíèå. Êðóòèçíà àíîäíîé õàðàêòåðèñòèêè (S) äèîäà ïîêàçûâàåò, íà ñêîëüêî èçìåíèòñÿ åãî òîê àíîäà ïðè èçìåíåíèè íàïðÿæåíèÿ àíîäêàòîä íà 1 âîëüò: S = DIÀ/DUÀÊ. Îáû÷íî êðóòèçíó âûðàæàþò â ìèëëèàìïåðàõ íà âîëüò, åå òèïîâîå çíà÷åíèå ñîñòàâëÿåò 150 ìÀ/Â. Âíóòðåííåå äèôôåðåíöèàëüíîå ñîïðîòèâëåíèå (Ri) ïîêàçûâàåò âëèÿíèå èçìåíåíèÿ íàïðÿæåíèÿ àíîäêàòîä íà èçìåíåíèå òîêà àíîäà äèîäà: Ri = DUÀÊ/DIÀ = 1/S. Äëÿ äèîäîâ òèïè÷íî çíà÷åíèå âíóòðåííåãî äèôôåðåíöèàëüíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ, ñîñòàâëÿþùåå ñîòíè Îì. Äèîäû, ïðåäíàçíà÷åííûå äëÿ âûïðÿìëåíèÿ ïåðåìåííîãî íàïðÿæåíèÿ â èñòî÷íèêàõ ïèòàíèÿ, íàçûâàþòñÿ êåíîòðîíàìè. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Êàêàÿ ýëåêòðîííàÿ ëàìïà íàçûâàåòñÿ äèîäîì? 2. Íàðèñóéòå àíîäíóþ õàðàêòåðèñòèêó äèîäà. 3. Ðàññêàæèòå îá åå õàðàêòåðíûõ ó÷àñòêàõ. 4. Êàêèìè ïàðàìåòðàìè õàðàêòåðèçóåòñÿ äèîä? 3.1.3. ÒÐÈÎÄ
Òîê, ïðîòåêàþùèé ÷åðåç äèîä, çàâèñèò òîëüêî îò íàïðÿæåíèÿ, ïðèëîæåííîãî ìåæäó åãî àíîäîì è êàòîäîì, ÷òî íå ïîçâîëÿåò èñïîëüçîâàòü òàêèå ýëåêòðîííûå ëàìïû äëÿ óñèëåíèÿ, ãåíåðèðîâàíèÿ, ïðåîáðàçîâàíèÿ êîëåáàíèÿ è ÿâëÿåòñÿ íåäîñòàòêîì äèîäà. Ïîëîæåíèå ìåíÿåòñÿ, åñëè â ëàìïå ìåæäó àíîäîì è êàòîäîì ïîìåñòèòü ñåòêó, íàçûâàåìóþ óïðàâëÿþùåé.  áîëüøèíñòâå ëàìï ñåòêà âûïîëíÿåòñÿ èç ïðîâîëîêè, èìååò êðóïíóþ ÿ÷åéêó è ïðåäíàçíà÷åíà äëÿ ñîçäàíèÿ ïðîñòðàíñòâåííîãî ïîòåíöèàëà ìåæäó àíîäîì è êàòîäîì. Òàêàÿ ëàìïà íàçûâàåòñÿ òðèîäîì (ñì. ðèñ. 3.4,à). Åñëè ìåæäó àíîäîì è êàòîäîì òðèîäà ïîäêëþ÷èòü èñòî÷íèê ïèòàíèÿ ÅÀÊ, íå ïîäàâàÿ ïðè ýòîì íà ñåòêó îòíîñèòåëüíî êàòîäà êàêîãî-ëèáî íàïðÿæåíèÿ, òî òðèîä áóäåò ïîëíîñòüþ
40
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
á à
Ðèñ. 3.4
àíàëîãè÷åí äèîäó. Åñëè æå îò èñòî÷íèêà íàïðÿæåíèÿ ÅÑÊ ïîäàòü íà ñåòêó ïîëîæèòåëüíûé ïîòåíöèàë, òî ãðóïïèðóþùèåñÿ âîêðóã êàòîäà ýëåêòðîíû îêàæóòñÿ â óñêîðÿþùåì ïîëå, ïîëó÷àò äîïîëíèòåëüíóþ ñêîðîñòü, è òåïåðü ïðè òîì æå íàïðÿæåíèè àíîäêàòîä UÀÊ áî´ëüøàÿ ÷àñòü ýëåêòðîíîâ ñìîæåò äîëåòåòü äî àíîäà. Òîêè êàòîäà IÊÀÒ è àíîäà IÀ âîçðàñòàþò (ðèñ. 3.4,á), ïðè÷åì, ÷åì áîëüøå íàïðÿæåíèå UÑÊ, òåì áîëüøå âåëè÷èíà óñêîðÿþùåãî ïîëÿ è áîëüøåå ÷èñëî ýëåêòðîíîâ ïîëó÷àåò äîïîëíèòåëüíóþ ñêîðîñòü. Òàê áóäåò ïðîèñõîäèòü äî òåõ ïîð, ïîêà âñå ýëåêòðîíû, âûëåòàþùèå èç êàòîäà, íå áóäóò óñêîðåíû ïîëåì è òîê êàòîäà IÊÀÒ íå íà÷íåò ïåðåõîäèòü â ðåæèì íàñûùåíèÿ (êðèâàÿ IÊÀÒ íà ðèñ. 3.4,á). Íåáîëüøîé äèàìåòð ïðîâîëîêè ñåòêè è êðóïíîñòü åå ÿ÷åéêè îáóñëîâëèâàþò íåáîëüøîå ÷èñëî ýëåêòðîíîâ, îñåäàþùèõ íà íåé. Îäíàêî ïðè óâåëè÷åíèè ïîëîæèòåëüíîãî íàïðÿæåíèÿ UÑÊ óâåëè÷èâàåòñÿ íå òîëüêî óñêîðÿþùåå ïîëå ìåæäó óïðàâëÿþùåé ñåòêîé è êàòîäîì, íî è ÷èñëî ýëåêòðîíîâ, ïðèòÿãèâàþùèõñÿ ñåòêîé, ÷òî ïðèâîäèò ê çíà÷èòåëüíîìó óâåëè÷åíèþ ñåòî÷íîãî IÑ, à çíà÷èò, òàêîìó æå óìåíüøåíèþ àíîäíîãî IÀ òîêà ëàìïû (ðèñ. 3.4,á). Çàâèñèìîñòü òîêà àíîäà îò íàïðÿæåíèÿ ñåòêàêàòîä íàçûâàåòñÿ àíîäíîñåòî÷íîé õàðàêòåðèñòèêîé. Åñëè íà óïðàâëÿþùóþ ñåòêó îòíîñèòåëüíî êàòîäà ïîäàòü îòðèöàòåëüíîå íàïðÿæåíèå, òî ñîçäàþùååñÿ ïðè ýòîì ìåæäó íèìè ïîëå ÿâëÿåòñÿ äëÿ ýëåêòðîíîâ çàìåäëÿþùèì, òîê àíîäà óìåíüøàåòñÿ è ïðè íåêîòîðîì íàïðÿæåíèè UÑÊ ÇÀÏ ñòàíîâèòñÿ ðàâíûì íóëþ. Ó÷àñòîê àíîäíî-ñåòî÷íîé õàðàêòåðèñòèêè òðèîäà ïðè îòðèöàòåëüíîì íàïðÿæåíèè UÑÊ ÿâëÿåòñÿ íàèáîëåå ëèíåéíûì èç âñåé õàðàêòåðèñòèêè, ïîýòîìó ðàáî÷óþ òî÷êó ëàìïû (îïðåäåëÿþùóþ òîê àíîäà ïðè îòñóòñòâèè óñèëè-
ÃËÀÂÀ 3. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÏÐÈÁÎÐÛ È ÊÎÌÏÎÍÅÍÒÛ
41
âàåìîãî ñèãíàëà) ïðè èñïîëüçîâàíèè òðèîäà â ëèíåéíûõ óñèëèòåëÿõ çàäàþò èìåííî ïðè îòðèöàòåëüíîì íàïðÿæåíèè íà ñåòêå.  ýòîì ñëó÷àå òîê ñåòêè áëèçîê ê íóëþ, è ýòî ïîâûøàåò âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå ëàìïû. Ïðè óâåëè÷åíèè íàïðÿæåíèÿ àíîäêàòîä, íàïðèìåð äî âåëè÷èíû UÀÊ1 > UÀÊ, ÷èñëî ýëåêòðîíîâ, ïåðåëåòàþùèõ íà àíîä, âîçðàñòàåò. Òåïåðü äëÿ îáåñïå÷åíèÿ òîãî æå çíà÷åíèÿ àíîäíîãî òîêà òðåáóåòñÿ áî´ëüøåå îòðèöàòåëüíîå íàïðÿæåíèå UÑÊ, è àíîäíî-ñåòî÷íàÿ õàðàêòåðèñòèêà ñìåùàåòñÿ âëåâî (êðèâàÿ IÀ1 íà ðèñ. 3.4,á). Äðóãîé íàèáîëåå ÷àñòî èñïîëüçóåìîé õàðàêòåðèñòèêîé ýëåêòðîííûõ ëàìï ÿâëÿåòñÿ àíîäíàÿ õàðàêòåðèñòèêà çàâèñèìîñòü òîêà àíîäà îò íàïðÿæåíèÿ àíîäêàòîä. Åñëè ìåæäó ñåòêîé è êàòîäîì íàïðÿæåíèå íå ïðèëîæåíî, òî àíîäíàÿ õàðàêòåðèñòèêà òðèîäà ñîâïàäàåò ñ àíàëîãè÷íîé õàðàêòåðèñòèêîé äèîäà.  íåé íåáîëüøèì íà÷àëüíûì òîêîì àíîäà îáû÷íî ïðåíåáðåãàþò, è ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî õàðàêòåðèñòèêà èäåò èç íà÷àëà êîîðäèíàò (êðèâàÿ UÑÊ0 íà ðèñ. 3.5). Åñëè íà ñåòêó ïî îòíîøåíèþ ê êàòîäó ïîäàíî ïîëîæèòåëüíîå íàïðÿæåíèå, òî ýëåêòðîíû ýëåêòðîííîãî îáëàêà ïîëó÷àþò äîïîëíèòåëüíîå óñêîðåíèå, ïîýòîìó äàæå íåáîëüøàÿ âåëè÷èíà íàïðÿæåíèÿ àíîäêàòîä UÀÊ ïðèâîäèò ê çíà÷èòåëüíîìó óâåëè÷åíèþ òîêà àíîäà IÀ è õàðàêòåðèñòèêà èäåò áîëåå êðóòî. Åñëè íà ñåòêó ïîäàíî îòðèöàòåëüíîå íàïðÿæåíèå, òî âîçíèêàþùåå çàìåäëÿþùåå ïîëå òîðìîçèò äâèæåíèå ýëåêòðîíîâ è äëÿ äîñòèæåíèÿ èìè àíîäà íåîáõîäèìî óâåëè÷èòü íàïðÿæåíèå UÀÊ,
Ðèñ. 3.5
42
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
êîìïåíñèðóÿ òîðìîçÿùåå äåéñòâèå çàìåäëÿþùåãî ïîëÿ. ×åì áîëüøå âåëè÷èíà îòðèöàòåëüíîãî íàïðÿæåíèÿ íà ñåòêå, òåì áîëüøåå àíîäíîå íàïðÿæåíèå íóæíî ïðèëîæèòü, ÷òîáû êîìïåíñèðîâàòü òîðìîçÿùåå äåéñòâèå ïîëÿ. Ïîýòîìó ïðè óâåëè÷åíèè îòðèöàòåëüíîãî íàïðÿæåíèÿ íà ñåòêå àíîäíûå õàðàêòåðèñòèêè òðèîäà ñäâèãàþòñÿ âïðàâî (ñì. ðèñ. 3.5). Êðîìå âíóòðåííåãî äèôôåðåíöèàëüíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ òðèîäû õàðàêòåðèçóþòñÿ êðóòèçíîé àíîäíî-ñåòî÷íîé õàðàêòåðèñòèêè è êîýôôèöèåíòîì óñèëåíèÿ. Êðóòèçíîé àíîäíîñåòî÷íîé õàðàêòåðèñòèêè (èëè ïðîñòî êðóòèçíîé) íàçûâàåòñÿ âåëè÷èíà, ïîêàçûâàþùàÿ íà ñêîëüêî èçìåíèòñÿ àíîäíûé òîê òðèîäà ïðè èçìåíåíèè íàïðÿæåíèÿ ñåòêàêàòîä íà 1 âîëüò, ïðè ïîñòîÿííîì íàïðÿæåíèè àíîäêàòîä: S = DIÀ/DUÑÊ ïðè UÀÊ = const. Åäèíèöåé èçìåðåíèÿ S ÿâëÿåòñÿ ìèëëèàìïåð/ âîëüò (ìÀ/Â). Êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ ïîêàçûâàåò, âî ñêîëüêî ðàç áîëüøå íóæíî èçìåíèòü íàïðÿæåíèå ìåæäó àíîäîì è êàòîäîì, ÷åì ìåæäó ñåòêîé è êàòîäîì, ÷òîáû ïîëó÷èòü îäèíàêîâîå èçìåíåíèå òîêà àíîäà, m = DUÀÊ/DUÑÊ, ïðè DIÀ = const. Îêàçûâàåòñÿ, ÷òî âíóòðåííåå äèôôåðåíöèàëüíîå ñîïðîòèâëåíèå òðèîäà, êðóòèçíà è êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ ñâÿçàíû ìåæäó ñîáîé ïî ôîðìóëå: m = SRi. Èç ðèñ. 3.4 è 3.5 âèäíî, ÷òî îñíîâíûå ïàðàìåòðû òðèîäà (S, Ri è m) â çíà÷èòåëüíîé ñòåïåíè çàâèñÿò îò ðåæèìîâ èçìåðåíèÿ (ïðèëîæåííûõ ê ëàìïå àíîäíîãî è ñåòî÷íîãî íàïðÿæåíèé), ïîýòîìó ïðè âû÷èñëåíèè ïàðàìåòðîâ èñïîëüçóþòñÿ ãðàôèêè, ñîîòâåòñòâóþùèå ýòèì ðåæèìàì. Ïðè ïðîâåäåíèè ðàñ÷åòîâ âûáèðàþò èçìåíåíèÿ íàïðÿæåíèé (DU) íåáîëüøèìè, ñîñòàâëÿþùèìè åäèíèöû ïðîöåíòîâ îò èçìåðÿåìîé âåëè÷èà
á
Ðèñ. 3.6
ÃËÀÂÀ 3. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÏÐÈÁÎÐÛ È ÊÎÌÏÎÍÅÍÒÛ
43
íû, íàõîäÿùåéñÿ â èíòåðâàëå èçìåíåíèé. Íàïðèìåð, åñëè â èñõîäíîì ñîñòîÿíèè íàïðÿæåíèå ìåæäó ñåòêîé è êàòîäîì UÑÊ2 (ðèñ. 3.6,à), à ìåæäó àíîäîì è êàòîäîì UÀÊ2, òî äëÿ îïðåäåëåíèÿ êðóòèçíû èñïîëüçóþò ãðàôèê àíîäíî-ñåòî÷íîé õàðàêòåðèñòèêè, ñîîòâåòñòâóþùèé UÀÊ = UÀÊ2. Íà íåì â îêðåñòíîñòè çíà÷åíèÿ UÑÊ2 âûáèðàþò èçìåíåíèå íàïðÿæåíèÿ DUÑÊ, íàõîäÿò ñîîòâåòñòâóþùåå åìó èçìåíåíèå òîêà àíîäà DIÀ è âû÷èñëÿþò S = DIÀ/DUÑÊ. Âû÷èñëåíèå âíóòðåííåãî äèôôåðåíöèàëüíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ òðèîäà ïðîèçâîäÿò ïî àíîäíîé õàðàêòåðèñòèêå ëàìïû (ðèñ. 3.6,á). Äëÿ ýòîãî íà ãðàôèêå, ñîîòâåòñòâóþùåì UÑÊ2, â îêðåñòíîñòè çíà÷åíèÿ UÀÊ2 çàäàþò ïðèðàùåíèå àíîäíîãî íàïðÿæåíèÿ DUÀÊ, íàõîäÿò ñîîòâåòñòâóþùåå åìó èçìåíåíèå àíîäíîãî òîêà DIÀ è çíà÷åíèå Ri = DUÀÊ/DIÀ. Äëÿ îïðåäåëåíèÿ êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ çàäàþò (êàê è äëÿ ðàñ÷åòà S) èçìåíåíèå íàïðÿæåíèÿ DUÑÊ, íàõîäÿò ñîîòâåòñòâóþùåå åìó èçìåíåíèå òîêà àíîäà DIÀ, à çàòåì íà àíîäíîé õàðàêòåðèñòèêå, ñîîòâåòñòâóþùåé UÑÊ2, â îêðåñòíîñòè çíà÷åíèÿ IÀ0 îòêëàäûâàþò ïîëó÷åííîå ïðèðàùåíèå àíîäíîãî òîêà DIÀ, ïî êîòîðîìó íàõîäÿò ñîîòâåòñòâóþùåå åìó èçìåíåíèå àíîäíîãî íàïðÿæåíèÿ DUÀÊ. Òîãäà m = DUÀÊ/DUÑÊ. Îäíèì èç îñíîâíûõ íåäîñòàòêîâ òðèîäà ÿâëÿåòñÿ óõóäøåíèå åãî ïàðàìåòðîâ ïðè ðàáîòå â óñèëèòåëüíûõ öåïÿõ ñ ïîñëåäîâàòåëüíî âêëþ÷åííûì ñîïðîòèâëåíèåì íàãðóçêè RÍ (ðèñ. 3.7). Ðèñ. 3.7  íèõ â ëþáîé ìîìåíò âðåìåíè ñóììà íàïðÿæåíèé ìåæäó àíîäîì è êàòîäîì UÀÊ è íà ñîïðîòèâëåíèè íàãðóçêè UÍ = IÀRÍ ðàâíà íàïðÿæåíèþ èñòî÷íèêà àíîäíîãî ïèòàíèÿ ÅÏ: ÅÏ = UÀÊ + UÍ = UÀÊ + IÀRÍ. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî çàïèðàþùåå íàïðÿæåíèå ÅÑÊ óìåíüøèëîñü, ëàìïà ïðèîòêðûëàñü è òîê àíîäà IÀ óâåëè÷èëñÿ. Óâåëè÷åíèå IÀ ïðèâîäèò ê óâåëè÷åíèþ íàïðÿæåíèÿ íà RÍ, íî íàïðÿæåíèå ÅÏ îñòàåòñÿ íåèçìåííûì, ïîýòîìó íàïðÿæåíèå ìåæäó àíîäîì è êàòîäîì ëàìïû UÀÊ óìåíüøàåòñÿ. Óìåíüøåíèå UÀÊ ïðèâîäèò ê îñëàáëåíèþ óñêîðÿþùåãî ïîëÿ, à ñëåäîâàòåëüíî ê óìåíüøåíèþ àíîäíîãî òîêà (ðèñ. 3.5), òî åñòü êðóòèçíà àíîäíî-ñåòî÷íîé õàðàêòåðèñòèêè ýëåêòðîííîé ëàìïû ñíèæàåòñÿ.
44
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
Àíàëîãè÷íûå ÿâëåíèÿ ïðîèñõîäÿò ïðè óâåëè÷åíèè çàïèðàþùåãî íàïðÿæåíèÿ ÅÑÊ. Òàêèì îáðàçîì, ïðè ðàáîòå òðèîäà â óñèëèòåëüíîì ðåæèìå âëèÿíèå íàïðÿæåíèÿ àíîäêàòîä íà òîê àíîäà ïðèâîäèò ê ñíèæåíèþ ýôôåêòèâíîñòè ðàáîòû ëàìïû è ÿâëÿåòñÿ íåæåëàòåëüíûì. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. ×åì òðèîä îòëè÷àåòñÿ îò äèîäà? 2. Íàðèñóéòå è îáúÿñíèòå âèä àíîäíî-ñåòî÷íûõ è àíîäíûõ õàðàêòåðèñòèê òðèîäà. 3. Êàêèìè ïàðàìåòðàìè õàðàêòåðèçóþòñÿ òðèîäû? Êàê îíè âû÷èñëÿþòñÿ? 4. Êàêîé íåäîñòàòîê íàèáîëåå õàðàêòåðåí äëÿ òðèîäîâ? 3.1.4. ÒÅÒÐÎÄ
Êàê óêàçûâàëîñü âûøå, íàèáîëåå çíà÷èòåëüíûì íåäîñòàòêîì òðèîäà ÿâëÿåòñÿ âëèÿíèå íà åãî àíîäíûé òîê èçìåíåíèÿ íàïðÿæåíèÿ àíîäêàòîä, âîçíèêàþùåå ïðè ðàáîòå ëàìïû â óñèëèòåëüíîì ðåæèìå. Äëÿ óñòðàíåíèÿ ýòîãî ìåæäó àíîäîì è óïðàâëÿþùåé ñåòêîé ïîìåùàþò åùå îäíó ñåòêó, íàçûâàåìóþ ýêðàíèðóþùåé, èëè ýêðàííîé, ïîäêëþ÷àåìóþ ê èñòî÷íèêó ñ ïîñòîÿííûì íàïðÿæåíèåì ÅÝÊ (ðèñ. 3.8,à). Òàêàÿ 4-ýëåêòðîäíàÿ ëàìïà íàçûâàåòñÿ òåòðîäîì. Õàðàêòåðíîé îñîáåííîñòüþ åå ÿâëÿåòñÿ âîçíèêíîâåíèå äèíàòðîííîãî ýôôåêòà óìåíüøåíèÿ òîêà àíîäà ïðè óâåëè÷åíèè íàïðÿæåíèÿ àíîäêàòîä. Ðàññìîòðèì åãî âîçíèêíîâåíèå. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî íàïðÿæåíèå ýêðàííàÿ ñåòêàêàòîä îòëè÷íî îò íóëÿ è íåèçìåííî. Òîãäà ýëåêòðîíû, èñïóñêàåìûå êàòîäîì, ëåòÿò ê ýêðàííîé ñåòêå ïîä äåéñòâèåì ïîëåé ìåæäó óïðàâëÿþùåé ñåòêîé è êàòîäîì, à òàêæå ìåæäó ýêðàííîé ñåòêîé è êàòîäîì. Ïðîëåòàÿ ýêðàííóþ ñåòêó, ýëåêòðîíû ïîïàäàþò â ïðîìåæóòîê ýêðàííàÿ ñåòêààíîä. Ïîëå â íåì îïðåäåëÿåòñÿ àëãåáðàè÷åñêîé ñóììîé íàïðÿæåíèé ÅÝÊ è ÅÀÊ, íàïðàâëåííûõ íàâñòðå÷ó äðóã äðóãó (ðèñ. 3.8,â, íà êîòîðîì ÝÑ ñîîòâåòñòâóåò âûâîäó ýêðàííîé ñåòêè, À àíîäó ëàìïû). Ïðè ÅÀÊ = 0 íàïðÿæåíèå ìåæäó àíîäîì è ýêðàííîé ñåòêîé UÀÝ = ÅÀÊ ÅÝÊ ñîçäàåò òîðìîçÿùåå ïîëå (íà àíîäå îòðèöàòåëüíûé ïîòåíöèàë, íà ýêðàííîé ñåòêå ïîëîæèòåëüíûé), âñå ýëåêòðîíû îñåäàþò íà ýêðàííîé ñåòêå, è òîê àíîäà IÀ = 0. Ïðè óâåëè÷åíèè íàïðÿæåíèÿ ÅÀÊ äåéñòâèå òîðìîçÿùåãî ïîëÿ îñëàáëÿåòñÿ, ÷àñòü ýëåê-
ÃËÀÂÀ 3. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÏÐÈÁÎÐÛ È ÊÎÌÏÎÍÅÍÒÛ
45
òðîíîâ äîñòèãàåò àíîäà, è âîç- à íèêàåò òîê IÀ (ðèñ. 3.8,á). Ïî ìåðå óâåëè÷åíèÿ ÅÀÊ âñå áîëüøåå ÷èñëî ýëåêòðîíîâ äîñòèãàåò àíîäà, è âñå áîëüøóþ ñêîðîñòü îíè ïðè ýòîì ïðèîáðåòàþò. Ïðè íåêîòîðîì çíà÷åíèè á íàïðÿæåíèÿ (íà ðèñ. 3.8,á îíî îáîçíà÷åíî êàê UÀÊ1) ýíåðãèÿ ïåðâè÷íûõ ýëåêòðîíîâ îêàçûâàåòñÿ äîñòàòî÷íîé äëÿ âûáèâàíèÿ èç àíîäà âòîðè÷íûõ ýëåêòðîíîâ âîçíèêàåò âòîðè÷íàÿ ýëåêòðîííàÿ ýìèññèÿ. Âûáèòûå âòîðè÷íûå ýëåêòðîíû ïîïàäàþò â ïðîìåæóòîê àíîäýêðàííàÿ ñåòêà, íî ñóùåñòâóþùàÿ ïðè ÅÀÊ < ÅÝÊ ðàçíîñòü â ïîòåíöèàëîâ (íà ðèñ. 3.8,ã îíà ðàâíà 40 Â) ñîçäàåò óñêîðÿþùåå ïîëå äëÿ âòîðè÷íûõ ýëåêòðîíîâ, êîòîðîå ïðèòÿãèâàåò ã èõ ê ýêðàííîé ñåòêå, óâåëè÷èâàÿ åå òîê IÝ è óìåíüøàÿ òîê àíîäà IÀ (ðèñ. 3.8,á). Íà àíîäíîé õàðàêòåðèñòèêå âîçíèêàä åò ó÷àñòîê óìåíüøåíèÿ àíîäíîãî òîêà (ó÷àñòîê äèíàòðîííîãî ýôôåêòà). Ïðè ÅÀÊ = ÅÝÊ ïîëå äëÿ âòîðè÷íûõ ýëåêòðîíîâ ïåðåñòàåò áûòü óñêîðÿþÐèñ. 3.8 ùèì, à ïðè ÅÀÊ > ÅÝÊ ñòàíîâèòñÿ òîðìîçÿùèì (íà ðèñ. 3.8,ä íàïðÿæåíèå, ñîçäàþùåå åãî, ðàâíî 20 Â).  ýòîì ñëó÷àå âñå âòîðè÷íûå ýëåêòðîíû, âûáèòûå èç àíîäà, âîçâðàùàþòñÿ íà àíîä, è IÀ âîçðàñòàåò. Òàêèì îáðàçîì, äëÿ ñóùåñòâîâàíèÿ äèíàòðîííîãî ýôôåêòà íåîáõîäèìî âûïîëíåíèå äâóõ óñëîâèé íàëè÷èå âòîðè÷íîé ýëåêòðîííîé ýìèññèè (âûáèâàíèå ïåðâè÷íûìè ýëåêòðîíàìè èç àíîäà ëàìïû âòîðè÷íûõ) è óñêîðÿþùåå äëÿ âòîðè÷íûõ ýëåêòðîíîâ ïîëå ìåæäó ýêðàííîé ñåòêîé è àíîäîì. Ïîëå
46
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
âîçíèêàåò çà ñ÷åò ðàçíîñòè íàïðÿæåíèé èñòî÷íèêîâ ïèòàíèÿ ýêðàííàÿ ñåòêàêàòîä è àíîäêàòîä, âêëþ÷åííûõ íàâñòðå÷ó äðóã äðóãó. Åñëè õîòÿ áû îäíî èç ýòèõ óñëîâèé íå âûïîëíÿåòñÿ, òî äèíàòðîííûé ýôôåêò îòñóòñòâóåò. Íàïðèìåð, ïðè UÀÊ < UÀÊ1 ïîëå äëÿ âòîðè÷íûõ ýëåêòðîíîâ ÿâëÿåòñÿ óñêîðÿþùèì, íî ñàìèõ ýëåêòðîíîâ íåò, ïîýòîìó íåò è äèíàòðîííîãî ýôôåêòà. Ïðè UÀÊ > UÀÊ2 âòîðè÷íàÿ ýìèññèÿ çíà÷èòåëüíà, íî ïîëå èç óñêîðÿþùåãî ïåðåõîäèò â òîðìîçÿùåå, è äèíàòðîííûé ýôôåêò ïðîïàäàåò. Íàëè÷èå äèíàòðîííîãî ýôôåêòà óõóäøàåò ðàáîòó òåòðîäà â êà÷åñòâå àêòèâíîãî ýëåìåíòà óñèëèòåëüíûõ êàñêàäîâ.  ýòîì ñëó÷àå, íàïðèìåð ïðè çàïèðàíèè ëàìïû, òîê àíîäà îêàæåòñÿ óìåíüøåííûì íå òîëüêî èç-çà èçìåíåíèÿ íàïðÿæåíèÿ ñåòêàêàòîä, íî è äîïîëíèòåëüíî çà ñ÷åò âîçðàñòàíèÿ UÀÊ. Ýòî ïðèâåäåò ê óâåëè÷åíèþ íåëèíåéíûõ èñêàæåíèé ñèãíàëà, ôîðìèðóåìîãî íà ñîïðîòèâëåíèè íàãðóçêè êàñêàäà. Êðîìå òîãî, ñïàäàþùèé ó÷àñòîê àíîäíîé õàðàêòåðèñòèêè, õàðàêòåðèçóþùèéñÿ îòðèöàòåëüíûì ñîïðîòèâëåíèåì, ìîæåò â ðåçîíàíñíûõ óñèëèòåëÿõ ïðèâåñòè ê âîçíèêíîâåíèþ ïàðàçèòíûõ àâòîêîëåáàíèé. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. 2. 3. 4.
Êàêàÿ ýëåêòðîííàÿ ëàìïà íàçûâàåòñÿ òåòðîäîì? ×òî òàêîå äèíàòðîííûé ýôôåêò? Íàðèñóéòå àíîäíóþ õàðàêòåðèñòèêó òåòðîäà è îáúÿñíèòå åå âèä. Êàêèå óñëîâèÿ íåîáõîäèìû äëÿ âîçíèêíîâåíèÿ äèíàòðîííîãî ýôôåêòà? 3.1.5. ÏÅÍÒÎÄ
Äëÿ ïðåäîòâðàùåíèÿ äèíàòðîííîãî ýôôåêòà ïðè ëþáûõ ñîîòíîøåíèÿõ íàïðÿæåíèé ÅÀÊ è ÅÝÊ ìåæäó àíîäîì è ýêðàíèðóþùåé ñåòêîé ïîìåùàþò åùå îäíó ñåòêó, íàçûâàåìóþ çàùèòíîé èëè àíòèäèíàòðîííîé. Åå ñîåäèíÿþò ñ êàòîäîì (ðèñ. 3.9,à), áëàãîäàðÿ ÷åìó ìåæäó íåé è àíîäîì äëÿ âòîðè÷íûõ ýëåêòðîíîâ âñåãäà, ïðè ëþáîì íàïðÿæåíèè àíîäêàòîä, ñîçäàåòñÿ òîðìîçÿùåå ïîëå (íà çàùèòíîé ñåòêå ïî îòíîøåíèþ ê àíîäó âñåãäà áóäåò îòðèöàòåëüíûé ïîòåíöèàë, òàê êàê îíà ïîäêëþ÷åíà ê îòðèöàòåëüíîìó âûâîäó èñòî÷íèêà àíîäíîãî íàïðÿæåíèÿ ÅÀÊ). Ïîýòîìó âòîðè÷íûå ýëåêòðîíû, âûáèòûå èç àíîäà, âñåãäà âîçâðàùàþòñÿ íà àíîä, ÷òî óñòðàíÿåò äèíàòðîííûé ýôôåêò. Òàêàÿ ëàìïà íàçûâàåòñÿ ïåíòîäîì.
ÃËÀÂÀ 3. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÏÐÈÁÎÐÛ È ÊÎÌÏÎÍÅÍÒÛ
à
47
á
Ðèñ. 3.9
Àíîäíàÿ õàðàêòåðèñòèêà ïåíòîäà (ëþáîé ãðàôèê íà ðèñ. 3.9,á) èìååò áîëüøîé ïî÷òè ãîðèçîíòàëüíûé ó÷àñòîê. Îí îáóñëîâëåí òåì, ÷òî çäåñü âëèÿíèå èçìåíåíèÿ àíîäíîãî íàïðÿæåíèÿ íà àíîäíûé òîê îñëàáëåíî çàùèòíîé, ýêðàííîé è óïðàâëÿþùåé ñåòêàìè, íàïðÿæåíèÿ íà êîòîðûõ îñòàþòñÿ âñåãäà íåèçìåííûìè. Ýòî ïðèâîäèò ê óëó÷øåíèþ ïàðàìåòðîâ ëàìïû, êîòîðûå òåïåðü äîñòèãàþò çíà÷èòåëüíûõ âåëè÷èí: êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ äîñòèãàåò èíîãäà íåñêîëüêèõ òûñÿ÷; âíóòðåííåå äèôôåðåíöèàëüíîå ñîïðîòèâëåíèå äîñòèãàåò ñîòåí êèëîîì (êÎì) åäèíèö ìåãàîì (ÌÎì). Óïðàâëÿþùàÿ ñåòêà âî âñåõ ðàññìîòðåííûõ ëàìïàõ ðàñïîëîæåíà ïðèìåðíî îäèíàêîâî, ïîýòîìó âèä àíîäíî-ñåòî÷íûõ õàðàêòåðèñòèê ëàìï è èõ êðóòèçíà îñòàþòñÿ ïðèìåðíî òåìè æå. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Êàê â ïåíòîäàõ ïðåäîòâðàùàåòñÿ äèíàòðîííûé ýôôåêò? 2. Íàðèñóéòå ïðèìåðíûé âèä àíîäíîé õàðàêòåðèñòèêè ïåíòîäà è ïîÿñíèòå åå ôîðìó. 3.1.6. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÎ-ËÓ×ÅÂÀß ÒÐÓÁÊÀ
Äëÿ ïðåîáðàçîâàíèÿ ýëåêòðè÷åñêèõ ïðîöåññîâ â âèäèìîå èçîáðàæåíèå èñïîëüçóåòñÿ ýëåêòðîííî-ëó÷åâàÿ òðóáêà (ÝËÒ). Îíà èìååò ôîðìó êîíóñà, íà âíóòðåííþþ ïîâåðõíîñòü îñíîâàíèÿ êîòîðîãî íàíåñåí ñëîé ëþìèíîôîðà, îáðàçóþùèé ëþìèíåñöåíòíûé ýêðàí (1) (ñì. ðèñ. 3.10). Ïîñëåäíèé ïîä óäàðàìè ýëåêòðîíîâ èçëó÷àåò âèäèìûé ñâåò.  ÝËÒ, êàê è âî âñåõ ýëåêòðîâàêóóìíûõ ïðèáîðàõ, èñòî÷íèêîì ïîòîêà ýëåêòðîíîâ ñëóæèò ïîäîãðåâàåìûé îêñèäíûé êàòîä (2). Âîêðóã íåãî ðàñïîëîæåí óïðàâëÿþùèé ýëåêòðîä
48
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
Ðèñ. 3.10
ìîäóëÿòîð (3) ñ íåáîëüøèì îòâåðñòèåì, ÷åðåç êîòîðîå ïðîõîäÿò ýëåêòðîíû. Ïîäà÷à íà ìîäóëÿòîð îòðèöàòåëüíîãî ïî îòíîøåíèþ ê êàòîäó íàïðÿæåíèÿ ñîñðåäîòî÷èâàåò ïîòîê ýëåêòðîíîâ âäîëü îñè òðóáêè, ðåãóëèðóåò åãî èíòåíñèâíîñòü, à ñëåäîâàòåëüíî è ÿðêîñòü ñâå÷åíèÿ ýêðàíà. Ïðè çíà÷èòåëüíîì óâåëè÷åíèè îòðèöàòåëüíîãî íàïðÿæåíèÿ ýëåêòðîííûé ïîòîê ïîëíîñòüþ ïðåêðàùàåòñÿ, è òðóáêà çàïèðàåòñÿ. Óâåëè÷åíèå ñêîðîñòè ïðîøåäøèõ ìîäóëÿòîð ýëåêòðîíîâ îáåñïå÷èâàåòñÿ óñòàíîâêîé ìåæäó íèì è ýêðàíîì (1) ïåðâîãî (4) è âòîðîãî (5) àíîäîâ. Êàæäûé èç íèõ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ìåòàëëè÷åñêèé öèëèíäð ñ äèàôðàãìàìè âíóòðè, íàõîäÿùèéñÿ îòíîñèòåëüíî êàòîäà ïîä âûñîêèì ïîëîæèòåëüíûì ïîòåíöèàëîì. Ïîä èõ äåéñòâèåì ýëåêòðîíû ïðèîáðåòàþò çíà÷èòåëüíóþ ñêîðîñòü, íåîáõîäèìóþ äëÿ ñâå÷åíèÿ ëþìèíîôîðà. Ïîòåíöèàë âòîðîãî àíîäà íåèçìåíåí è äëÿ ðàçíûõ òðóáîê ñîñòàâëÿåò ÅÀ2 = 600 Â
3 êÂ. Ïîòåíöèàë ïåðâîãî àíîäà ðåãóëèðóåòñÿ â ïðåäåëàõ (0,20,4)ÅÀ2 è îáåñïå÷èâàåò ðåãóëèðîâêó ðàçìåðà ñâåòÿùåãîñÿ íà ýêðàíå ïÿòíà, åãî ôîêóñèðîâêó. Ñîâîêóïíîñòü êàòîäà, ìîäóëÿòîðà è àíîäîâ íàçûâàåòñÿ ýëåêòðîííûì ïðîæåêòîðîì (ýëåêòðîííîé ïóøêîé). Ôîêóñèðîâêà ýëåêòðîííîãî ïîòîêà ïðîèñõîäèò àíàëîãè÷íî ôîêóñèðîâêå ñâåòîâîãî ïîòîêà ñ ïîìîùüþ îïòè÷åñêèõ ëèíç, ðîëü êîòîðûõ âûïîëíÿåò ïîëå, èçìåíÿþùåå òðàåêòîðèþ äâèæåíèÿ ýëåêòðîíîâ â íóæíîì íàïðàâëåíèè. Ýëåêòðè÷åñêîå ïîëå ìåæäó ìîäóëÿòîðîì è ïåðâûì àíîäîì ñîáèðàåò ïîòîê â ïåðâîì ôîêóñå O. Ïðîéäÿ ÷åðåç íåãî, ýëåêòðîííûé ëó÷ îïÿòü ðàñõîäèòñÿ, íî ýëåêòðè÷åñêîå ïîëå ìåæäó ïåðâûì è âòîðûì àíîäàìè âíîâü ñîáèðàåò åãî âî âòîðîì ôîêóñå O¢ íà ýêðàíå òðóáêè. Ïðè èçìåíåíèè ïîòåíöèàëà ïåðâîãî àíîäà èçìåíÿþòñÿ ôîêóñíûå ðàññòîÿíèÿ ëèíç, ÷òî ïîçâîëÿåò ïîëó÷àòü íà ýêðàíå ìàëûé äèàìåòð ñâåòÿùåãîñÿ ïÿòíà.
ÃËÀÂÀ 3. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÏÐÈÁÎÐÛ È ÊÎÌÏÎÍÅÍÒÛ
49
Äëÿ óïðàâëåíèÿ ïîëîæåíèåì ïÿòíà íà ýêðàíå èñïîëüçóþò ýëåêòðîñòàòè÷åñêèå îòêëîíÿþùèå óñòðîéñòâà.  ïðîñòåéøåì ñëó÷àå ýòî äâå ïàðû ïëîñêèõ ïàðàëëåëüíûõ ïëàñòèí ÏY è ÏX, ðàñïîëîæåííûõ ïåðïåíäèêóëÿðíî äðóã äðóãó, âíóòðè êîòîðûõ è ïðîõîäèò ýëåêòðîííûé ëó÷. Îäíà ïàðà (ÏY) ðàñïîëîæåíà òàê, ÷òî îáåñïå÷èâàåò ñìåùåíèå ëó÷à â âåðòèêàëüíîì íàïðàâëåíèè (Y ), ïîýòîìó íàçûâàåòñÿ ïëàñòèíàìè âåðòèêàëüíîãî îòêëîíåíèÿ (Y-ïëàñòèíàìè). Âòîðàÿ ïàðà (ÏX) îáåñïå÷èâàåò ñìåùåíèå ëó÷à â ãîðèçîíòàëüíîì íàïðàâëåíèè (Õ) è íàçûâàåòñÿ ïëàñòèíàìè ãîðèçîíòàëüíîãî îòêëîíåíèÿ (X-ïëàñòèíàìè). Åñëè íà ïëàñòèíû íàïðÿæåíèå íå ïîäàíî, ýëåêòðîíû ñâîåé òðàåêòîðèè íå èçìåíÿþò, è ñâåòÿùååñÿ ïÿòíî íàõîäèòñÿ â öåíòðå ýêðàíà. Ïðè ïîäà÷å íà îäíè èç ïëàñòèí (ÏY èëè ÏX) ïîñòîÿííîãî íàïðÿæåíèÿ âîçíèêàþùåå ìåæäó íèìè ïîëå èçìåíèò íàïðàâëåíèå äâèæåíèÿ ýëåêòðîííîãî ëó÷à â ñòîðîíó ïîëîæèòåëüíî çàðÿæåííîé ïëàñòèíû, è ñâåòÿùååñÿ ïÿòíî ïåðåìåñòèòñÿ âäîëü ñîîòâåòñòâóþùåé îñè. Åñëè íàïðÿæåíèå ïîäàòü íà îáå ïàðû ïëàñòèí (íà ÏY è íà ÏX), òî îáà ïîëÿ áóäóò äåéñòâîâàòü íà ëó÷ îäíîâðåìåííî, ïðîïîðöèîíàëüíî ïðèëîæåííûì íàïðÿæåíèÿì, è ìåñòî ðàñïîëîæåíèÿ ëó÷à îïðåäåëèòñÿ êàê âåêòîðíàÿ ñóììà èõ âîçäåéñòâèé.  ðàçíûõ ÝËÒ îäèíàêîâîå íàïðÿæåíèå íà îòêëîíÿþùèõ ïëàñòèíàõ ïðèâîäèò ê ðàçëè÷íîìó ïåðåìåùåíèþ ñâåòÿùåãîñÿ ïÿòíà. Îíî õàðàêòåðèçóåòñÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ òðóáêè äëÿ âåðòèêàëüíîãî è ãîðèçîíòàëüíîãî îòêëîíåíèé, êîòîðàÿ ïîêàçûâàåò, íà ñêîëüêî ìèëëèìåòðîâ ïåðåìåñòèòñÿ ïÿòíî íà ýêðàíå ïðè èçìåíåíèè îòêëîíÿþùåãîñÿ íàïðÿæåíèÿ íà 1 Â. Ïðîéäÿ îòêëîíÿþùèå ïëàñòèíû, ïîòîê ýëåêòðîíîâ ïîïàäàåò íà ýêðàí òðóáêè, è ïîêðûâàþùèé åå ëþìèíîôîð íà÷èíàåò ñâåòèòüñÿ. Äëÿ ñáîðà âûáèâàåìûõ ïðè ýòîì âòîðè÷íûõ ýëåêòðîíîâ âíóòðåííþþ ïîâåðõíîñòü êîíóñîîáðàçíîé ÷àñòè ÝËÒ ïîêðûâàþò ãðàôèòîâûì ïðîâîäÿùèì ñëîåì, íàçûâàåìûì àêâàäàãîì. Ïîñëåäíèé ìîæåò ëèáî ñîåäèíÿòüñÿ ñî âòîðûì àíîäîì, ëèáî (ïðè íàëè÷èè âíåøíåãî âûâîäà) èñïîëüçîâàòüñÿ â êà÷åñòâå äîïîëíèòåëüíîãî àíîäà ñ áîëåå âûñîêèì ïîòåíöèàëîì, ÷òî ïîâûøàåò ñêîðîñòü ýëåêòðîííîãî ïîòîêà. ßðêîñòü, ïðîäîëæèòåëüíîñòü è öâåò ñâå÷åíèÿ ýêðàíà çàâèñÿò íå òîëüêî îò ñêîðîñòè óäàðÿþùèõ â íåãî ýëåêòðîíîâ, íî è õèìè÷åñêîãî ñîñòàâà ëþìèíîôîðà. Ïðîäîëæèòåëüíîñòü ñâå÷åíèÿ ýêðàíà ïîñëå ïðåêðàùåíèÿ âîçäåéñòâèÿ íà íåãî ýëåêòðîííîãî ëó÷à
50
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
õàðàêòåðèçóåòñÿ âðåìåíåì ïîñëåñâå÷åíèÿ, â òå÷åíèå êîòîðîãî èíòåíñèâíîñòü ñâå÷åíèÿ óìåíüøàåòñÿ äî 1% îò ìàêñèìàëüíîé. Íàèáîëåå ÷àñòî ýëåêòðîííî-ëó÷åâûå òðóáêè èñïîëüçóþòñÿ â îñöèëëîãðàôàõ. Åñëè îíè ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ èññëåäîâàíèÿ áûñòðîïåðåìåííûõ ïðîöåññîâ, òî âðåìÿ ïîñëåñâå÷åíèÿ äîëæíî áûòü íåáîëüøèì. Ïðè èññëåäîâàíèè ðåäêî ïîâòîðÿþùèõñÿ ïðîöåññîâ èñïîëüçóþò îñöèëëîãðàôû ñ ïîñëåñâå÷åíèåì äî íåñêîëüêèõ ñåêóíä è áîëåå. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Ðàññêàæèòå íàçíà÷åíèå âñåõ ýëåìåíòîâ ÝËÒ. 2. Íà êàêèõ ýëåêòðîäàõ èçìåíåíèå íàïðÿæåíèÿ âûçûâàåò èçìåíåíèå ÿðêîñòè è ôîêóñà ëó÷à è ïî÷åìó? 3. Êàê íà ýêðàíå ÝËÒ ïîëó÷àåòñÿ ïåðåìåùåíèå ñâåòÿùåãîñÿ ëó÷à? 4. ×òî òàêîå ÷óâñòâèòåëüíîñòü è âðåìÿ ïîñëåñâå÷åíèÿ òðóáêè? 3.1.7. ÝËÅÊÒÐÎÂÀÊÓÓÌÍÛÅ ÏÐÈÁÎÐÛ, ÈÑÏÎËÜÇÓÅÌÛÅ Â ÒÅËÅÂÈÇÈÎÍÍÛÕ ÏÐÈÅÌÍÈÊÀÕ
Ýëåêòðîííî-ëó÷åâûå òðóáêè, ïðåäíàçíà÷åííûå äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ â òåëåâèçèîííûõ ïðèåìíèêàõ, íàçûâàþòñÿ êèíåñêîïàìè. Èõ îñîáåííîñòüþ ÿâëÿåòñÿ ïîëó÷åíèå ðàçìåðà âèäèìîãî èçîáðàæåíèÿ â íåñêîëüêî ðàç áîëüøåãî, ÷åì â îñöèëëîãðàôè÷åñêèõ ÝËÒ, ïðè ïðèìåðíî îäèíàêîâîé äëèíå òðóáîê. Ýòî äîñòèãàåòñÿ ïðèìåíåíèåì â êèíåñêîïàõ íå ýëåêòðîñòàòè÷åñêîé, à ìàãíèòíîé îòêëîíÿþùåé ñèñòåìû, êîòîðàÿ ðàñïîëàãàåòñÿ ñíàðóæè òðóáêè, íà åå ãîðëîâèíå è ïîçâîëÿåò îòêëîíÿòü ëó÷ íà 110° (±55°) è áîëåå. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ öâåòíîãî èçîáðàæåíèÿ èñïîëüçóþòñÿ òðåõëó÷åâûå êèíåñêîïû, ïî ñòðóêòóðå ñîâïàäàþùèå ñ ìîíîõðîìíûìè (÷åðíî-áåëûìè) è ñîñòîÿùèå èç òðåõ îäèíàêîâûõ ýëåêòðîííûõ ïðîæåêòîðîâ, êàæäûé èç êîòîðûõ ôîðìèðóåò ëó÷ îäíîãî èç öâåòîâ: êðàñíîãî (R), çåëåíîãî (G) è ñèíåãî (B) (ðèñ. 3.11).  êèíåñêîïàõ ñ òðåóãîëüíûì (äåëüòîîáðàçíûì) ðàñïîëîæåíèåì ïðîæåêòîðîâ îíè îáðàçóþò ðàâíîñòîðîííèé òðåóãîëüíèê, òî åñòü óãîë ìåæäó ñîñåäíèìè ïðîæåêòîðàìè ðàâåí 120°, è êàæäûé èç íèõ íàêëîíåí ê öåíòðó òðóáêè ïðèìåðíî íà 1° (ðèñ. 3.11,à). Ëþìèíîôîð ýêðàíà ñîñòîèò èç ÷åðåäóþùèõñÿ ó÷àñòêîâ (çåðåí) òåõ æå öâåòîâ, ðàñïîëîæåííûõ òîæå òðåóãîëüíèêàìè (òðèàäàìè), è êàæäûé ëó÷ çàñâå÷èâàåò çåðíî ñâîåãî öâåòà.  êèíåñêîïàõ ñ ïëàíàðíûì (ãîðèçîíòàëüíûì) ðàñïî-
ÃËÀÂÀ 3. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÏÐÈÁÎÐÛ È ÊÎÌÏÎÍÅÍÒÛ
à
51
á
Ðèñ. 3.11
ëîæåíèåì ïðîæåêòîðîâ (ðèñ. 3.11,á) ïðîæåêòîð, ñîîòâåòñòâóþùèé çåëåíîìó öâåòó, ðàñïîëîæåí âäîëü öåíòðàëüíîé îñè, à äâà äðóãèõ ðàñïîëîæåíû ïî îáå ñòîðîíû îò íåãî ïîä íåáîëüøèì óãëîì. Ýëåêòðîííûé ëó÷ êàæäîãî èç ïðîæåêòîðîâ çàñâå÷èâàåò öâåòîâûå çåðíà ýêðàíà ñâîåãî öâåòà. Ñîñåäíèå öâåòîâûå çåðíà èìåþò òó æå ïîñëåäîâàòåëüíîñòü öâåòîâ. Ëþìèíîôîð ýêðàíà ñ âíóòðåííåé ñòîðîíû ïîêðûò òîíêîé àëþìèíèåâîé ïëåíêîé, ñîåäèíåííîé ñ àíîäîì êèíåñêîïà. Îíà ïðîçðà÷íà äëÿ ýëåêòðîííîãî ïó÷êà è íåïðîçðà÷íà äëÿ ñâåòîâûõ ëó÷åé. Òàêàÿ ïëåíêà ïîçâîëÿåò óäàëÿòü ñ ïîâåðõíîñòè ýêðàíà âòîðè÷íûå ýëåêòðîíû, îòðàæàåò ñâåò, íàïðàâëåííûé âíóòðü êèíåñêîïà, óâåëè÷èâàÿ ñâåòîîòäà÷ó. Íà ðàññòîÿíèè ïðèìåðíî 15 ìì ïåðåä ëþìèíîôîðíûì ïîêðûòèåì ñî ñòîðîíû ýëåêòðîííîãî ëó÷à óñòàíîâëåíà òåíåâàÿ ìàñêà íåïðîçðà÷íûé ýêðàí ñ îòâåðñòèÿìè, ÷èñëî êîòîðûõ ñîîòâåòñòâóåò ÷èñëó òðèàä êèíåñêîïà. Ðàñïîëîæåíèå îòâåðñòèé ïîçâîëÿåò êàæäîìó èç òðåõ ýëåêòðîííûõ ëó÷åé, ïåðåìåùàÿñü ïî ãîðèçîíòàëè è âåðòèêàëè, âîçáóæäàòü ÷åðåç íèõ çåðíà ëþìèíîôîðà òîëüêî òîãî öâåòà, êîòîðûé ñîîòâåòñòâóåò ýòîìó ëó÷ó.  êèíåñêîïàõ ñ äåëüòîîáðàçíûì ðàñïîëîæåíèåì ýëåêòðîííûõ ïðîæåêòîðîâ îòâåðñòèÿ ìàñêè êðóãëûå, à ñ ïëàíàðíûì ùåëåâèäíûå. Äëÿ ñòàòè÷åñêîãî ñâåäåíèÿ ëó÷åé (ñîâìåùåíèÿ èõ â öåíòðå ýêðàíà) è ðåãóëèðîâêè ÷èñòîòû öâåòà (çàñâåòêè êàæäûì ëó÷îì çåðåí ëþìèíîôîðà òîëüêî îäíîãî öâåòà) èñïîëüçóþò ìàãíèòû, îáúåäèíåííûå â óñòðîéñòâî ñâåäåíèÿ ëó÷åé, ïîìåùàåìîå íà ãîðëîâèíå òðóáêè.
52
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
Îñíîâíûå íåäîñòàòêè òðåõöâåòíûõ êèíåñêîïîâ ñâÿçàíû ñ íàëè÷èåì òðåõ ðàçíåñåííûõ â ïðîñòðàíñòâå ýëåêòðîííûõ ïðîæåêòîðîâ: ïðè îäèíàêîâîì âîçäåéñòâèè îòêëîíÿþùåé ñèñòåìû êàæäûé èç ýëåêòðîííûõ ëó÷åé ïðîõîäèò ðàçëè÷íûé ïóòü, ïîýòîìó ïðè îòêëîíåíèè èõ îò öåíòðà ëó÷è ìîãóò ïåðåñå÷üñÿ íå â ïëîñêîñòè ìàñêè è, ïðîõîäÿ ÷åðåç ðàçíûå åå îòâåðñòèÿ, ïîïàäàþò íà ëþìèíîôîðíûå çåðíà äðóãîãî öâåòà, ñîçäàâàÿ ðàññëîåíèå ëó÷åé.  ýòîì ñëó÷àå âîêðóã äåòàëåé èçîáðàæåíèÿ ïîÿâëÿþòñÿ öâåòíûå îêàíòîâêè, êîòîðûå íàèáîëåå çàìåòíû íà êðàÿõ ýêðàíà. Êðîìå òîãî, êàê è â ìîíîõðîìíûõ (÷åðíî-áåëûõ) êèíåñêîïàõ, îòëè÷èå ôîðìû ýêðàíà îò ñôåðè÷åñêîé ïðèâîäèò ê èñêàæåíèÿì ôîðìèðóåìîãî èçîáðàæåíèÿ (íà êðàÿõ ýêðàíà ýëåìåíòû èçîáðàæåíèÿ îêàçûâàþòñÿ ðàñòÿíóòûìè). Âñå ýòî ïðèâîäèò ê íåîáõîäèìîñòè ðàçðàáîòêè àëüòåðíàòèâíûõ óñòðîéñòâ âîñïðîèçâåäåíèÿ èçîáðàæåíèÿ. Îäíèì èç íèõ â íàñòîÿùåå âðåìÿ ÿâëÿþòñÿ öâåòíûå ïëàçìåííûå ïàíåëè PDP Plasma Display Panel.  îñíîâå äåéñòâèÿ ïëàçìåííûõ ïàíåëåé ëåæèò ñâå÷åíèå ëþìèíîôîðîâ ñîîòâåòñòâóþùåãî öâåòà ïðè âîçäåéñòâèè íà íèõ óëüòðàôèîëåòîâîãî èçëó÷åíèÿ, âîçíèêàþùåãî çà ñ÷åò ýëåêòðè÷åñêîãî ðàçðÿäà â ñðåäå ñèëüíî ðàçðåæåííîãî ãàçà. Êàæäûé èç ýëåìåíòîâ ðàçëîæåíèÿ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé îòäåëüíóþ ìèêðîêàìåðó, íàõîäÿùóþñÿ ìåæäó ïðîçðà÷íûìè ýëåêòðîäàìè, íà ñòåíêàõ êîòîðîé íàõîäèòñÿ ôëþîðåñöèðóþùåå âåùåñòâî îäíîãî èç îñíîâíûõ öâåòîâ. Ïðè ïîäà÷å íà ýëåêòðîäû íàïðÿæåíèÿ ãàç â ÿ÷åéêå èîíèçèðóåòñÿ, ïåðåõîäÿ â ñîñòîÿíèå ïëàçìû. Åñëè íàïðÿæåíèå ïîâûñèòü, òî â êàìåðå ïðîèñõîäèò ðàçðÿä, ïðè êîòîðîì âûäåëÿåòñÿ ýíåðãèÿ â âèäå èçëó÷åíèÿ êâàíòîâ ñâåòà, çàñòàâëÿþùèõ ñâåòèòüñÿ ôëþîðåñöèðóþùåå ïîêðûòèå. ßðêîñòü òàêîãî ñâå÷åíèÿ ïðîïîðöèîíàëüíà âåëè÷èíå óïðàâëÿþùåãî íàïðÿæåíèÿ, êîòîðîå ñîîòâåòñòâóåò âîñïðîèçâîäèìîìó èçîáðàæåíèþ. Äëÿ óìåíüøåíèÿ òðåáóåìîãî ÷èñëà âûâîäîâ ïàíåëè èñïîëüçóåòñÿ ìàòðè÷íàÿ ñèñòåìà àäðåñàöèè ýëåìåíòîâ ðàçëîæåíèÿ, ïðè êîòîðîé êàæäûé èç íèõ êàê áû íàõîäèòñÿ â ÿ÷åéêå òàáëèöû, è äëÿ åãî àäðåñàöèè çàäàþòñÿ íîìåðà ñòðîêè è ñòîëáöà ÿ÷åéêè. Îòñóòñòâèå â ïàíåëè ýëåêòðîííîãî ïðîæåêòîðà äåëàåò ïëàçìåííûå ïàíåëè ïëîñêèìè.
ÃËÀÂÀ 3. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÏÐÈÁÎÐÛ È ÊÎÌÏÎÍÅÍÒÛ
53
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Êàêèå ýëåêòðîííîëó÷åâûå òðóáêè íàçûâàþòñÿ êèíåñêîïàìè? 2. Ðàññêàæèòå îá îñîáåííîñòÿõ ïîñòðîåíèÿ êèíåñêîïîâ öâåòíîãî èçîáðàæåíèÿ. 3. ×åì îòëè÷àþòñÿ êèíåñêîïû ñ äåëüòîîáðàçíûì è ïëàíàðíûì ðàñïîëîæåíèåì ýëåêòðîííûõ ïðîæåêòîðîâ? 4. Ñ ÷åì ñâÿçàíû îñíîâíûå íåäîñòàòêè òðåõöâåòíûõ êèíåñêîïîâ? 5. Ðàññêàæèòå î ïðèíöèïå ðàáîòû ïëàçìåííûõ ïàíåëåé.
3.2. ÏÎËÓÏÐÎÂÎÄÍÈÊÎÂÛÅ ÏÐÈÁÎÐÛ 3.2.1. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÎ-ÄÛÐÎ×ÍÛÉ ÏÅÐÅÕÎÄ
 íàñòîÿùåå âðåìÿ ïîëóïðîâîäíèêîâûå ïðèáîðû íàøëè ñàìîå øèðîêîå ïðèìåíåíèå â êà÷åñòâå àêòèâíûõ ýëåìåíòîâ ðàçëè÷íûõ âèäîâ ðàäèîýëåêòðîííîé àïïàðàòóðû. Ïîíèìàíèå ïðèíöèïîâ èõ ðàáîòû ïîçâîëÿåò ïðàâèëüíî ýêñïëóàòèðîâàòü è ýôôåêòèâíî èñïîëüçîâàòü òðàíçèñòîðû, ïîëóïðîâîäíèêîâûå äèîäû, ìèêðîñõåìû. Äëÿ îáúÿñíåíèÿ ñóùíîñòè âîçíèêàþùèõ â íèõ ïðîöåññîâ ìîæíî èñïîëüçîâàòü óïðîùåííûå ìîäåëè, êîòîðûå íàèáîëåå íàãëÿäíî ïîêàçûâàþò ïðîèñõîäÿùèå ÿâëåíèÿ. Íàïîìíèì, ÷òî àòîìû âåùåñòâà ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê ñîñòîÿùèå èç ïîëîæèòåëüíî çàðÿæåííîãî ÿäðà è âðàùàþùèõñÿ âîêðóã íåãî ïî îðáèòàì ýëåêòðîííûõ îáîëî÷åê ýëåêòðîíîâ (çàðÿæåííûõ îòðèöàòåëüíî), ïðè÷åì çàðÿä ÿäðà ðàâåí ñóììàðíîìó çàðÿäó ýëåêòðîíîâ, âðàùàþùèõñÿ âîêðóã íåãî, òî åñòü îáùèé çàðÿä àòîìà ðàâåí íóëþ.  ïåðâîé (áëèæàéøåé ê ÿäðó) ýëåêòðîííîé îáîëî÷êå íàõîäÿòñÿ äâà ýëåêòðîíà, â äðóãèõ ïî 8, à â ïîñëåäíåé îò 1 äî 8. Ïðè íåáîëüøîì ÷èñëå ýëåêòðîíîâ âî âíåøíåé îáîëî÷êå èõ ñâÿçè ñ ÿäðîì è ìåæäó ñîáîé îñëàáëåíû, è ýëåêòðîíû ëåãêî, äàæå ïðè íåáîëüøîé äîïîëíèòåëüíîé ýíåðãèè, óõîäÿò èç àòîìà. Åñëè æå êîëè÷åñòâî ýëåêòðîíîâ â ïîñëåäíåé îáîëî÷êå ñîñòàâëÿåò 6 èëè 7, òî èõ âíóòðåííèå ñâÿçè íàñòîëüêî ñèëüíû, ÷òî îòîðâàòü ýëåêòðîí îò ÿäðà î÷åíü òðóäíî. Îñîáåííî êðåïêè ñâÿçè â àòîìå ïðè íàõîæäåíèè íà îðáèòå âñåõ 8 ýëåêòðîíîâ. Ó ïîëóïðîâîäíèêîâ (ãåðìàíèé Ge, êðåìíèé Si) âî âíåøíåé îáîëî÷êå âðàùàþòñÿ ïî 4 ýëåêòðîíà, èõ àòîìû íàõîäÿòñÿ â óçëàõ êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè, è êàæäûé èç íèõ îáìåíèâàåòñÿ ñ ñîñåäíèì àòîìîì îäíèì ýëåêòðîíîì (îíè äâèæóòñÿ
54
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
à
á
Ðèñ. 3.12
ïî îðáèòàì çàõâàòûâàþùèì îáà àòîìà). Òàêèì îáðàçîì, ïîëó÷àåòñÿ, ÷òî íà âíåøíåé îðáèòå íàõîäÿòñÿ 8 ýëåêòðîíîâ, è ñèñòåìà óñòîé÷èâà ê âíåøíåìó âîçäåéñòâèþ. Åñëè â íåêîòîðûå èç óçëîâ êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè âìåñòî àòîìîâ ÷åòûðåõâàëåíòíîãî ãåðìàíèÿ ïîìåñòèòü àòîìû ïÿòèâàëåíòíîé ñóðüìû Sb (ðèñ. 3.12,à), òî ïîÿâëÿþùèéñÿ ïðè âçàèìîäåéñòâèè ñ àòîìàìè ãåðìàíèÿ äåâÿòûé ýëåêòðîí ïåðåõîäèò íà ñëåäóþùóþ (åùå áîëåå óäàëåííóþ îò ÿäðà) ýëåêòðîííóþ îáîëî÷êó. Åãî ñâÿçü ñ àòîìîì îñëàáëÿåòñÿ, è îí ëåãêî ìîæåò óéòè îò íåãî. Îäíàêî â ïðîñòðàíñòâå ïîëóïðîâîäíèêà îáùèé çàðÿä ýëåêòðîíîâ ïðîäîëæàåò îñòàâàòüñÿ ðàâíûì ñóììàðíîìó çàðÿäó ÿäåð, íàõîäÿùèõñÿ â óçëàõ êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè, è ïîëóïðîâîäíèê ïðîäîëæàåò îñòàâàòüñÿ ýëåêòðè÷åñêè íåéòðàëüíûì. Ïîëóïðîâîäíèêè, â êîòîðûõ çíà÷èòåëüíîå ÷èñëî ýëåêòðîíîâ ñëàáî ñâÿçàíî ñ àòîìàìè, íàçûâàþòñÿ ïîëóïðîâîäíèêàìè n-òèïà, èëè òèïà n. Åñëè â íåêîòîðûå óçëû êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè ïîìåñòèòü àòîìû òðåõâàëåíòíîãî âåùåñòâà (íàïðèìåð, èíäèÿ In), òî â èõ âíåøíèõ îáîëî÷êàõ áóäóò âðàùàòüñÿ òîëüêî 7 ýëåêòðîíîâ (íà ðèñ. 3.12,á íåçàïîëíåííîå ìåñòî îáîçíà÷åíî êðóæî÷êîì äûðêîé). Êàê óæå óêàçûâàëîñü, òàêîé àòîì ëåãêî ïðèíèìàåò åùå 1 ýëåêòðîí, çàïîëíÿÿ îáîëî÷êó. Ýòè ïîëóïðîâîäíèêè íàçûâàþòñÿ ïîëóïðîâîäíèêàìè ð-òèïà èëè òèïà ð, è ïðîâîäèìîñòü, êîòîðîé îíè îáëàäàþò, íàçûÐèñ. 3.13
ÃËÀÂÀ 3. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÏÐÈÁÎÐÛ È ÊÎÌÏÎÍÅÍÒÛ
55
âàåòñÿ äûðî÷íîé. Åñëè îñóùåñòâèòü êîíòàêò ïîëóïðîâîäíèêîâ n-òèïà è ð-òèïà (íàïðèìåð, ñðàñòèâ èõ), òî íà ãðàíèöå ñîåäèíåíèÿ âîçíèêàåò pn-ïåðåõîä (ðèñ. 3.13), â êîòîðîì îäíîâðåìåííî ïðîèñõîäÿò äâà ïðîöåññà. Ïåðâûé äèôôóçèÿ, òî åñòü ïåðåìåùåíèå íîñèòåëåé â ñîñåäíþþ îáëàñòü çà ñ÷åò ïðåâûøåíèÿ êîíöåíòðàöèè èõ â îäíîé ïî îòíîøåíèþ ê äðóãîé: â ïîëóïðîâîäíèêå n-òèïà ìíîãî ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ, à â ïîëóïðîâîäíèêå ð-òèïà ìíîãî âàêàíòíûõ äëÿ íèõ ìåñò (äûðîê). Ïðè ýòîì óõîä ýëåêòðîíîâ èç ïîëóïðîâîäíèêà òèïà n äåëàåò íåñêîìïåíñèðîâàííûìè çàðÿäû ÿäåð, íàõîäÿùèõñÿ â óçëàõ êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè. Ïåðåõîäÿ â ïîëóïðîâîäíèê òèïà ð, ÷àñòü ýëåêòðîíîâ çàïîëíÿþò îáîëî÷êè àòîìîâ, âûçûâàÿ óâåëè÷åíèå èõ îòðèöàòåëüíîãî çàðÿäà. È òå, è äðóãèå çàðÿäû íå ïåðåìåùàþòñÿ è íàçûâàþòñÿ îáúåìíûìè.  ðåçóëüòàòå â ïîëóïðîâîäíèêå n-òèïà ïîÿâëÿåòñÿ ïîëîæèòåëüíûé, à â ïîëóïðîâîäíèêå ð-òèïà îòðèöàòåëüíûé îáúåìíûå çàðÿäû. Òàêèì îáðàçîì, îáúåìíûå çàðÿäû âîçíèêàþò èç-çà òîãî, ÷òî â ïîëóïðîâîäíèêàõ íàðóøàåòñÿ êîìïåíñàöèÿ ýëåêòðîíàìè (âðàùàþùèìèñÿ â ýëåêòðîííûõ îáîëî÷êàõ) çàðÿäîâ ÿäåð àòîìîâ âåùåñòâà. Âîçíèêàþùåå ìåæäó îáúåìíûìè çàðÿäàìè ýëåêòðè÷åñêîå ïîëå ïðåïÿòñòâóåò äàëüíåéøåìó âçàèìíîìó ïåðåõîäó íîñèòåëåé è ñòðåìèòñÿ âîçâðàòèòü èõ îáðàòíî â ñâîè îáëàñòè: âîçíèêàåò äðåéô íîñèòåëåé. Ïðè ðàâåíñòâå òîêîâ äèôôóçèè è äðåéôà íàñòóïàåò äèíàìè÷åñêîå ðàâíîâåñèå, ïðè êîòîðîì ñóììàðíàÿ âåëè÷èíà òîêà ÷åðåç ïåðåõîä (îïðåäåëÿåìàÿ ðàçíîñòüþ ÷èñëà ýëåêòðîíîâ, ïåðåìåñòèâøèõñÿ â îáîèõ âçàèìîïðîòèâîïîëîæíûõ íàïðàâëåíèÿõ) ðàâíà íóëþ. Òàêîé ïåðåõîä íàçûâàåòñÿ çàïåðòûì. Âîçíèêàþùàÿ ìåæäó îáúåìíûìè çàðÿäàìè íà ãðàíèöå ïåðåõîäà ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ íàçûâàåòñÿ ïîòåíöèàëüíûì áàðüåðîì. Ñëîé, â êîòîðîì ðàñïîëîæåíû îáúåìíûå çàðÿäû, íàçûâàåòñÿ çàïèðàþùèì èëè çàïîðíûì. Åñëè ê ïîëóïðîâîäíèêó ð-òèïà ïðèëîæèòü ïîëîæèòåëüíûé ïîëþñ èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ, à n-òèïà îòðèöàòåëüíûé, òî îáúåìíûå çàðÿäû íà÷èíàþò êîìïåíñèðîâàòüñÿ (ñì. ðèñ. 3.14,à), äèôôóçèîííîå ïåðåìåùåíèå íîñèòåëåé óâåëè÷èâàåòñÿ, è ÷åðåç pn-ïåðåõîä ïîòå÷åò òîê. Òàêîå ïîäêëþ÷åíèå íàïðÿæåíèÿ íàçûâàåòñÿ ïðÿìûì. Ïðèìåðíûé âèä çàâèñèìîñòè òîêà i îò íàïðÿæåíèÿ u, äåéñòâóþùåãî íà ïåðåõîäå (âîëüò-àìïåðíàÿ õàðàêòåðèñòèêà ÂÀÕ),
56
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
ïðèâåäåí â ïðàâîé ÷àñòè ðèñ. 3.14,á (ïðÿìàÿ âåòâü õàðàêòåðèñòèêè). Èç åå ðàññìîòðåíèÿ âèäíî, ÷òî ïðè ìàëûõ íàïðÿæåíèÿõ êîìïåíñàöèÿ îáúåìíûõ çàðÿäîâ ñíà÷àëà ñëàáî âëèÿåò íà âåëè÷èíó òîêà ïåðåõîäà, çàòåì ýòî âëèÿíèå óñèëèâàåòñÿ, äåëàÿ íåëèíåéíûì íà÷àëüíûé ó÷àñòîê ÂÀÕ. Ïðè ïîëíîé êîìïåíñàöèè çàðÿäîâ òîê ïåðåõîäà îïðåäåëÿåòñÿ ëèøü ñîïðîòèâëåíèÿìè îáëàñòåé ñàìèõ ïîëóïðîâîäíèêîâ, è âëèÿíèåì ðn-ïåðåõîäà íà ïðîèñõîäÿùèå ïðîöåññû ìîæíî ïðåíåáðå÷ü. Íàïîìíèì, ÷òî ÝÄÑ èñòî÷íèêîâ ïèòàíèÿ çäåñü è äàëåå îáîçíà÷àþòñÿ áóêâîé Å, à íàïðÿæåíèÿ, äåéñòâóþùèå íà ýëåìåíòàõ, â òîì ÷èñëå ìåæäó âûâîäàìè ïîëóïðîâîäíèêîâ áóêâîé U, äàæå åñëè îíè ñîâïàäàþò. Ïðè ïîäà÷å íà ïåðåõîä îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ, êîãäà ê ïîëóïðîâîäíèêó ð-òèïà ïîäêëþ÷àåòñÿ îòðèöàòåëüíûé, à n-òèïà ïîëîæèòåëüíûé ïîëþñû ïèòàíèÿ (ðèñ. 3.14,â), ñëàáî ñâÿçàííûå ñ àòîìàìè ýëåêòðîíû ïîëóïðîâîäíèêà n-òèïà, óñòðåìëÿþòñÿ â ãëóáü ïîëóïðîà âîäíèêà ê ïîëîæèòåëüíîìó ïîëþñó ïèòàíèÿ, óâåëè÷èâàÿ ïîëîæèòåëüíûé îáúåìíûé çàðÿä ïåðåõîäà. Îäíîâðåìåííî èç îòðèöàòåëüíîãî ïîëþñà ïèòàíèÿ ê ðn-ïåðåõîäó äâèæóòñÿ ýëåêòðîíû, êîòîðûå óâåëè÷èâàþò á ïðèãðàíè÷íûé îòðèöàòåëüíûé îáúåìíûé çàðÿä çàïèðàþùèé ñëîé ðàñøèðÿåòñÿ, è ïîòåíöèàëüíûé áàðüåð óâåëè÷èâàåòñÿ. Ýòî ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ, à çàòåì è ïðåêðàùåíèþ äèôôóçèîííîãî òîêà. Òåïåðü òîê äðåéôà îáóñëîâëåí íîñèòåëÿìè, âûâ ðûâàåìûìè èç ïîëóïðîâîäíèêà ïîëåì îáúåìíûõ çàðÿäîâ. Èõ ÷èñëî íåçíà÷èòåëüíî, è ïîýòîìó òîê ìàë. Îäíàêî ïî ìåðå óâåëè÷åíèÿ îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ ýëåêòðîíû, ëåòÿùèå â ñîçäàâàåìîì èì ïîëå, ïðèîáðåòàþò áî´ëüøóþ ñêîðîñòü, óäàðÿþòñÿ â àòîÐèñ. 3.14
ÃËÀÂÀ 3. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÏÐÈÁÎÐÛ È ÊÎÌÏÎÍÅÍÒÛ
57
ìû êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè, âûáèâàþò èç íåå íîâûå ýëåêòðîíû, êîòîðûå, â ñâîþ î÷åðåäü, òîæå óñêîðÿþòñÿ ïîëåì è âíîâü âûáèâàþò ýëåêòðîíû, òî åñòü âîçíèêàåò óäàðíàÿ èîíèçàöèÿ è ëàâèíîîáðàçíîå ðàçìíîæåíèå íîñèòåëåé. Ïðè íåêîòîðûõ çíà÷åíèÿõ ïðèëîæåííîãî íàïðÿæåíèÿ âîçíèêàåò ýëåêòðè÷åñêèé ïðîáîé, ïðè êîòîðîì òîê ÷åðåç ïåðåõîä ðåçêî âîçðàñòàåò (íà ðèñ. 3.14,á âåðòèêàëüíûé ó÷àñòîê ëåâîé âåòâè ÂÀÕ), à ñîïðîòèâëåíèå çàïèðàþùåãî ñëîÿ óìåíüøàåòñÿ. Ýëåêòðè÷åñêèé ïðîáîé ÿâëÿåòñÿ îáðàòèìûì, òî åñòü â ýòîì ñëó÷àå ïðè óìåíüøåíèè íàïðÿæåíèÿ íà ðï-ïåðåõîäå âñå åãî ñâîéñòâà ñîõðàíÿþòñÿ. Åñëè òîê ýëåêòðè÷åñêîãî ïðîáîÿ íå îãðàíè÷åí, òî â ïåðåõîäå íà÷èíàåò âûäåëÿòüñÿ çíà÷èòåëüíàÿ ìîùíîñòü, êîòîðàÿ ðàçîãðåâàåò åãî, è ýëåêòðè÷åñêèé ïðîáîé ïåðåõîäèò â òåïëîâîé, íåîáðàòèìûé, ïðè êîòîðîì ðn-ïåðåõîä ñãîðàåò. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Ðàññêàæèòå î ïðîöåññàõ, ïðîèñõîäÿùèõ íà ãðàíèöå ðàçäåëà ïîëóïðîâîäíèêîâ n- è p-òèïîâ. 2. Èç-çà ÷åãî âîçíèêàþò îáúåìíûå çàðÿäû? 3. Êàê èçìåíÿòñÿ ïðîöåññû ïðè ïðèëîæåíèè ê pn-ïåðåõîäó ïðÿìîãî íàïðÿæåíèÿ? Êàêîâ âèä ïîëó÷àåìîé ïðè ýòîì âîëüò-àìïåðíîé õàðàêòåðèñòèêè? 4. Ðàññêàæèòå î ïðîöåññàõ, ïðîèñõîäÿùèõ íà ãðàíèöå pn-ïåðåõîäà ïðè ïðèëîæåíèè ê íåìó îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ. Êàêîâ âèä ïîëó÷àåìîé ïðè ýòîì ÂÀÕ? 3.2.2. ÏÎËÓÏÐÎÂÎÄÍÈÊÎÂÛÅ ÄÈÎÄÛ
Ýëåêòðîííî-äûðî÷íûé ïåðåõîä ïî ñóùåñòâó ÿâëÿåòñÿ ïîëóïðîâîäíèêîâûì äèîäîì. Åãî òèïû ðàçëè÷àþòñÿ ïî òîìó, êàêàÿ èç îáëàñòåé âîëüò-àìïåðíîé õàðàêòåðèñòèêè ïåðåõîäà ÿâëÿåòñÿ äîìèíèðóþùåé, ðàáî÷åé. Íàïðèìåð, åñëè ðàáî÷åé ÿâëÿåòñÿ âåòâü ÂÀÕ ïðè ïðÿìîì íàïðÿæåíèè, òî òàêèå äèîäû íàçûâàþòñÿ âûïðÿìèòåëüíûìè. Èõ óñëîâíîå ãðàôè÷åñêîå îáîçíà÷åíèå ïðèâåäåíî íà ðèñ. 3.15,à. Çäåñü «ð» è «n» íàíåñåíû äëÿ îðèåíòàöèè è îáîçíà÷àþò ñîîòâåòñòâóþùèå îáëàñòè ïåðåõîäà. Äëÿ ñòàáèëèòðîíîâ (ñì. ðèñ. 3.15,á) ðàáî÷åé îáëàñòüþ ÿâëÿåòñÿ ó÷àñòîê ýëåêòðè÷åñêîãî ïðîáîÿ, âîçíèêàþùèé ïðè ïðèëîæåíèè ê äèîäó îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ. Çäåñü çíà÷èòåëüíîìó èçìåíåíèþ òîêà ÷åðåç äèîä ñîîòâåòñòâóåò íåáîëüøîå èçìåíåíèå íàïðÿæåíèÿ íà íåì, òî åñòü íàïðÿæåíèå ïîääåðæèâàåòñÿ
58 à
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
á
ïî÷òè íåèçìåííûì, ñòàáèëèçèðîâàííûì. Ôóíêöèþ ñòàáèëèçàöèè â íàïðÿæåíèÿ ìîãóò òàêæå âûïîëíÿòü äèîäû, ó êîòîðûõ ÂÀÕ ïðè ïðÿìîì íàïðÿæåíèè èìååò êðóòîé âåðòèêàëüíûé ó÷àñòîê. Îíè íàçûâàþòñÿ ñòàáèñòîðàìè, è äëÿ èõ íîðìàëüíîé ðàáîòû íåîáõîäèìî ê äèîäàì ïðèêëàäûâàòü ïðÿìîå íàïðÿæåíèå. Äëÿ âñåõ ýòèõ òèïîâ äèîäîâ îñíîâíûìè ïàðàìåòðàìè ÿâëÿþòñÿ ìàêñèìàëüíî Ðèñ. 3.15 äîïóñòèìûå íàïðÿæåíèÿ è òîêè, à òàêæå âåëè÷èíà âíóòðåííåãî äèôôåðåíöèàëüíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ñîîòâåòñòâóþùåé âåòâè ÂÀÕ rÄ = Du/Di. Åñëè åùå ðàç îáðàòèòüñÿ ê ðèñ. 3.14,â, òî íå òðóäíî çàìåòèòü, ÷òî ðn-ïåðåõîä ïðè ïîäà÷å íà íåãî îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ UÎÁÐ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé äâå îáëàñòè ðàçíîèìåííûõ îáúåìíûõ çàðÿäîâ QÎÁ, ðàçäåëåííûå äèýëåêòðèêîì, òî åñòü êîíäåíñàòîð. Ñóùåñòâóþùóþ ó íåãî åìêîñòü íàçûâàþò áàðüåðíîé. Îíà îïðåäåëÿåòñÿ ñîîòíîøåíèåì: ÑÁ = QÎÁ/UÎÁÐ. Ïðèìåðíûé âèä ãðàôèêà çàâèñèìîñòè ÑÁ îò UÎÁÐ è óñëîâíîå îáîçíà÷åíèå âàðèêàïà äèîäà ñ ÿðêî âûðàæåííûìè îáúåìíûìè çàðÿäàìè ïðèâåäåíû íà ðèñ. 3.15,â. Âàðèêàïû, êàê ïðàâèëî, ïðèìåíÿþò â ïåðåñòðàèâàåìûõ êîëåáàòåëüíûõ êîíòóðàõ â êà÷åñòâå êîíäåíñàòîðà ïåðåìåííîé åìêîñòè, óïðàâëÿåìîãî íàïðÿæåíèåì, ñìåùàþùèì äèîä â îáðàòíîì íàïðàâëåíèè. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû 1. ×åì ðàçëè÷àþòñÿ ìåæäó ñîáîé âûïðÿìèòåëüíûå äèîäû, ñòàáèñòîðû, ñòàáèëèòðîíû, âàðèêàïû? 2. Êàêèå óñëîâíûå ãðàôè÷åñêèå îáîçíà÷åíèÿ èì ñîîòâåòñòâóþò? 3. Êàêèìè ïàðàìåòðàìè îíè õàðàêòåðèçóþòñÿ? 3.2.3. ÁÈÏÎËßÐÍÛÉ ÒÐÀÍÇÈÑÒÎÐ
Ïîëóïðîâîäíèêîâûå ïðèáîðû, ñîñòîÿùèå èç äâóõ ïîñëåäîâàòåëüíî âêëþ÷åííûõ pn-ïåðåõîäîâ, ðàñïîëîæåííûõ î÷åíü áëèçêî äðóã ê äðóãó, íàçûâàþòñÿ áèïîëÿðíûìè òðàíçèñòîðàìè.  íèõ îáëàñòü, ïðåäíàçíà÷åííàÿ äëÿ ñîçäàíèÿ íîñèòåëåé çàðÿäà, íàçûâàåòñÿ ýìèòòåðîì (Ý), äëÿ èõ ñáîðà êîë-
ÃËÀÂÀ 3. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÏÐÈÁÎÐÛ È ÊÎÌÏÎÍÅÍÒÛ
59
ëåêòîðîì (Ê), à ðåãóëèðóþùàÿ ÷èñëî ïåðåäàâàåìûõ íîñèòåëåé áàçîé (Á) (ðèñ. 3.16). Ýëåêòðîííî-äûðî÷íûé ïåðåõîä ìåæäó ýìèòòåðîì è áàçîé íàçûâàåòñÿ ýìèòòåðíûì, ìåæäó êîëëåêòîðîì è áàçîé êîëëåêòîðíûì. Äëÿ ðàáîòû òðàíçèñòîðà â óñèëèòåëüíîì ðåæèìå íåîáõîäèìî, ÷òîáû íîñèòåëè èç îáëàñòè ýìèòòåðà áûëè ïåðåíåñåíû â îáëàñòü êîëëåêòîðà. Íî äëÿ ýòîãî èõ ñíà÷àëà íóæíî ïåðåíåñòè â îáëàñòü áàçû, à ñëåäîâàòåëüíî ýìèòòåðíûé ïåðåõîä äîëæåí áûòü ñìåùåí â ïðÿìîì íàïðàâëåíèè. Ýòî äîñòèãàåòñÿ âêëþ÷åíèåì ìåæäó âûâîäàìè ýìèòòåðà è áàçû òðàíçèñòîðà ñîîòâåòñòâóþùåãî èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ ÅÝÁ (ðèñ. 3.16,à). Òîãäà îáúåìíûé çàðÿä ýìèòòåðíîãî ïåðåõîäà áóäåò ñêîìïåíñèðîâàí, è íîñèòåëè (íà ðèñ. 3.16,à ýòî ýëåêòðîíû) èç îáëàñòè ýìèòòåðà íà÷íóò ïåðåõîäèòü â îáëàñòü áàçû. Äëÿ èõ äàëüíåéøåãî ïåðåõîäà â êîëëåêòîð íåîáõîäèìî, ÷òîáû ïîëå ìåæäó êîëëåêòîðîì è áàçîé òðàíçèñòîðà áûëî äëÿ íèõ óñêîðÿþùèì.  äàííîì ñëó÷àå äëÿ ýòîãî íóæíî ê êîëëåêòîðó ïðèëîæèòü ïîëîæèòåëüíûé ïîëþñ èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ ÅÁÊ, à ê áàçå îòðèöàòåëüíûé. Ñîçäàâàåìîå ïðè ýòîì ïîëå çàíèìàåò òîëüêî ÷àñòü ïðîñòðàíñòâà áàçû, è åñëè ýëåêòðîíû îáëàäàþò ýíåðãèåé, äîñòàòî÷íîé äëÿ äîñòèæåíèÿ ýòîãî ïðîñòðàíñòâà, òî îíè ïåðåíîñÿòñÿ â êîëëåêòîð, îáðàçóÿ òîê êîëëåêòîðà iÊ; åñëè íåò òî âçàèìîäåéñòâóþò (êîìïåíñèðóþòñÿ, ðåêîìáèíèðóþò) ñ íîñèòåëÿìè, ïîñòàâëÿåìûìè èñòî÷íèêîì ÅÝÁ, ñîçäàâàÿ òîê áàçû iÁ.  ëþáîé ìîìåíò âðåìåíè òîê ýìèòòåðà iÝ = iÁ + iÊ. Òðàíçèñòîðû ðàçëè÷àþòñÿ ïî ïîðÿäêó ÷åðåäîâàíèÿ â íèõ òèïîâ èñïîëüçóåìûõ ïîëóïðîâîäíèêîâ: íà ðèñ. 3.16,à èçîáðàæåí òðàíçèñòîð npn-òèïà, à íà ðèñ. 3.16,á pnð.  ãðàôè÷åñêèõ óñëîâíûõ îáîçíà÷åíèÿõ îíè îòëè÷àþòñÿ íàïðàâëåíèåì à
á
Ðèñ. 3.16
60
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
ñòðåëêè, êîòîðîé îáîçíà÷àåòñÿ ýìèòòåð òðàíçèñòîðà. Ñòðåëêà âñåãäà íàïðàâëåíà îò îáëàñòè ïîëóïðîâîäíèêà ð-òèïà ê ïîëóïðîâîäíèêó ï-òèïà. Ïðèâåäåííîå âûøå îïèñàíèå ïðîöåññîâ õàðàêòåðíî äëÿ îáîèõ òèïîâ òðàíçèñòîðîâ, ïîýòîìó îáùèì îñíîâíûì ïðàâèëîì ðàáîòû òðàíçèñòîðà ÿâëÿåòñÿ íåîáõîäèìîñòü ñìåùåíèÿ åãî ýìèòòåðíîãî ïåðåõîäà â ïðÿìîì, à êîëëåêòîðíîãî â îáðàòíîì íàïðàâëåíèÿõ.  ýòîì ñëó÷àå ñîçäàþòñÿ óñëîâèÿ ïåðåíîñà íîñèòåëåé èç ýìèòòåðà â áàçó, à çàòåì â êîëëåêòîð. Äëÿ ïîâûøåíèÿ ýôôåêòèâíîñòè ïåðåíîñà íîñèòåëåé ñêâîçü áàçó åå äåëàþò òîíêîé, à ïëîùàäü ïîâåðõíîñòè åå ñîïðèêîñíîâåíèÿ ñ ýìèòòåðîì è êîëëåêòîðîì áîëüøîé (ðèñ. 3.17). Òàêàÿ êîíñòðóêòèâíàÿ îñîáåííîñòü ïîñòðîåíèÿ òðàíçèñòîðà âûçûâàåò íåîäèíàêîâîñòü ñîïðîòèâëåíèÿ áàçû â ðàçíûõ íàïðàâëåíèÿõ: Ðèñ. 3.17 âäîëü ïðîòåêàíèÿ êîëëåêòîðíîãî òîêà îíî ìèíèìàëüíî, à ïîïåðåê (â íàïðàâëåíèè ïîäêëþ÷àþùåãî âûâîäà) çíà÷èòåëüíî áîëüøå.  íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ ýòî ñèëüíî âëèÿåò íà âèä âõîäíûõ è âûõîäíûõ õàðàêòåðèñòèê òðàíçèñòîðà, ïîýòîìó íà åãî ýêâèâàëåíòíîé ñõåìå â âûâîä áàçû âêëþ÷àþò äîïîëíèòåëüíûé ðåçèñòîð rÁ (íà ðèñ. 3.16,à îí ïîêàçàí øòðèõàìè), ñ÷èòàÿ, ÷òî îñòàâøàÿñÿ îáëàñòü áàçû èìååò îäèíàêîâîå ñîïðîòèâëåíèå â ëþáîì íàïðàâëåíèè. Âëèÿíèå rÁ ñêàçûâàåòñÿ, êîãäà ê âûâîäó áàçû ïîäêëþ÷åíû èñòî÷íèêè è âõîäíîãî è âûõîäíîãî íàïðÿæåíèé. Òàêàÿ ñõåìà âêëþ÷åíèÿ òðàíçèñòîðà íàçûâàåòñÿ ñõåìîé ñ îáùåé áàçîé (ÎÁ). Êðîìå íåå, òðàíçèñòîðû ìîãóò áûòü âêëþ÷åíû ïî ñõåìàì ñ îáùèì ýìèòòåðîì (ÎÝ) è îáùèì êîëëåêòîðîì (ÎÊ). Âñå îíè îïðåäåëÿþòñÿ òåì, êàêîé èç âûâîäîâ òðàíçèñòîðà ÿâëÿåòñÿ îáùèì äëÿ âõîäíîãî è âûõîäíîãî íàïðÿæåíèé. Ýòî ìîæåò îòíîñèòüñÿ êàê ê íàïðÿæåíèÿì ïèòàíèÿ òðàíçèñòîðà, òàê è óñèëèâàåìûì íàïðÿæåíèÿì, îäíàêî çäåñü ðàññìàòðèâàþòñÿ òîëüêî ïåðâûå èç íèõ.  çàâèñèìîñòè îò ñõåìû âêëþ÷åíèÿ õàðàêòåðèñòèêè òðàíçèñòîðîâ ñóùåñòâåííî ðàçëè÷àþòñÿ, ïîýòîìó ðàññìîòðèì èõ îòäåëüíî äëÿ íàèáîëåå ÷àñòî âñòðå÷àþùèõñÿ íà ïðàêòèêå ñëó÷àåâ ÎÁ è ÎÝ.
ÃËÀÂÀ 3. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÏÐÈÁÎÐÛ È ÊÎÌÏÎÍÅÍÒÛ
61
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Êàêèå ïðîöåññû ïðîèñõîäÿò â áèïîëÿðíûõ òðàíçèñòîðàõ? Ïî÷åìó äëÿ èõ ðàáîòû â óñèëèòåëüíîì ðåæèìå íåîáõîäèìî, ÷òîáû ýìèòòåðíûé ïåðåõîä áûë ñìåùåí â ïðÿìîì, à êîëëåêòîðíûé â îáðàòíîì íàïðàâëåíèè? 2. ×åì ðàçëè÷àþòñÿ ìåæäó ñîáîé pnp- è npn-òðàíçèñòîðû? 3. ×òî íàçûâàåòñÿ ñõåìàìè âêëþ÷åíèÿ òðàíçèñòîðîâ ñ ÎÁ, ÎÝ è ÎÊ? 3.2.3.1. ÑÕÅÌÀ Ñ ÎÁÙÈÌ ÝÌÈÒÒÅÐÎÌ
Âêëþ÷åíèå òðàíçèñòîðà ïî ñõåìå ñ îáùèì ýìèòòåðîì ïîêàçàíî íà ðèñ. 3.18,à. Îñíîâíûìè, íàèáîëåå ÷àñòî èñïîëüçóåìûìè, õàðàêòåðèñòèêàìè òðàíçèñòîðà ÿâëÿþòñÿ âõîäíûå è âûõîäíûå. Âõîäíîé õàðàêòåðèñòèêîé òðàíçèñòîðà íàçûâàåòñÿ çàâèñèìîñòü âõîäíîãî òîêà îò âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ.  äàííîì ñëó÷àå âõîäíûì ñëóæèò íàïðÿæåíèå, ïðèëîæåííîå ìåæäó ýìèòòåðîì è áàçîé òðàíçèñòîðà (èñòî÷íèê ÅÝÁ), êîòîðîå â ýìèòòåðíîì ïåðåõîäå êîìïåíñèðóåò îáúåìíûé çàðÿä è ñîçäàåò óñëîâèÿ ïåðåìåùåíèÿ íîñèòåëåé èç ýìèòòåðà â áàçó. Ïîä äåéñòâèåì ÅÝÁ ÷åðåç âûâîäû áàçû è ýìèòòåðà òðàíçèñòîðà (ðèñ. 3.18,à) ïðîòåêàåò òîê IÁ, ïðè ýòîì ÷åðåç âûâîä ýìèòòåðà îäíîâðåìåííî (ïîä äåéñòâèåì íàïðÿæåíèÿ ýìèòòåðêîëëåêòîð ÅÊÝ) òå÷åò åùå è òîê êîëëåêòîðà IÊ, òî åñòü òîê ýìèòòåðà ÿâëÿåòñÿ ñóììàðíûì òîêîì, îáóñëîâëåííûì äåéñòâèåì îáîèõ èñòî÷íèêîâ ïèòàíèÿ. Ñëåäîâàòåëüíî, âõîäíûì òîêîì ïðîòåêàþùèì ïîä äåéñòâèåì òîëüêî âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ, ÿâëÿåòñÿ òîê áàçû (IÁ), è âõîäíîé õàðàêòåðèñòèêîé òðàíçèñòîðà ïî ñõåìå ñ ÎÝ áóäåò çàâèñèìîñòü IÁ = f(UÝÁ). Åñëè íàïðÿæåíèå êîëëåêòîðýìèòòåð ðàâíî íóëþ, òî ïðîöåññû â ýìèòòåðíîì ïåðåõîäå íè÷åì íå îòëè÷àþòñÿ îò ïðîöåññîâ, à
á
â
Ðèñ. 3.18
62
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
ïðîèñõîäÿùèõ â îäèíî÷íîì ðn-ïåðåõîäå, ðàññìîòðåííîì â ðàçäåëå 3.2.1, è çàâèñèìîñòü òîêà áàçû îò íàïðÿæåíèÿ ýìèòòåð áàçà áóäåò èìåòü òîò æå âèä, ÷òî è ÂÀÕ ïåðåõîäà (ðèñ. 3.18,á). Ïðè ïîäà÷å ìåæäó êîëëåêòîðîì è ýìèòòåðîì òðàíçèñòîðà íàïðÿæåíèÿ ïðîöåññû íåñêîëüêî ìåíÿþòñÿ. Ðàññìîòðèì èõ. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî íàïðÿæåíèå ÅÝÁ ðàâíî íóëþ (íà÷àëüíûé ó÷àñòîê âõîäíîé õàðàêòåðèñòèêè).  ýòîì ñëó÷àå ÷åðåç êîëëåêòîðíûé ïåðåõîä, êîòîðûé ïîä äåéñòâèåì ÅÊÝ ñìåùåí â îáðàòíîì íàïðàâëåíèè, ïðîòåêàåò íåáîëüøîé îáðàòíûé òîê êîëëåêòîðíîãî ïåðåõîäà IÊÁ0, òåêóùèé ÷åðåç âûâîä áàçû è ïîýòîìó ÿâëÿþùèéñÿ âõîäíûì. Îí òå÷åò íàâñòðå÷ó îñíîâíîìó òîêó áàçû (ðèñ. 3.18,à), è ýòî ó÷òåíî ðàñïîëîæåíèåì IÊÁ0 íà õàðàêòåðèñòèêå òðàíçèñòîðà (ðèñ. 3.18,á) â îòðèöàòåëüíîé ïîëóïëîñêîñòè. Ïðè ïîäà÷å âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ (ÅÝÁ) íà÷èíàåò ïðîòåêàòü îñíîâíîé òîê áàçû IÁ, êîòîðûé ñíà÷àëà ÷àñòè÷íî, à ïðè íåêîòîðîì íàïðÿæåíèè ïîëíîñòüþ êîìïåíñèðóåò IÊÁ0.  äàëüíåéøåì, ïðè óâåëè÷åíèè âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ, âõîäíîé òîê ïðîäîëæàåò óâåëè÷èâàòüñÿ (ðèñ. 3.18,á). Î÷åíü ÷àñòî â ñïðàâî÷íèêàõ îòðèöàòåëüíûé ó÷àñòîê òîêà IÁ íå ïðèâîäèòñÿ, è õàðàêòåðèñòèêà íà÷èíàåòñÿ ñ òî÷êè êîìïåíñàöèè òîêîâ. Âûõîäíîé õàðàêòåðèñòèêîé òðàíçèñòîðà (ðèñ. 3.18,â) íàçûâàåòñÿ çàâèñèìîñòü âûõîäíîãî òîêà (IÊ) îò âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ, êîòîðûì â äàííîì ñëó÷àå ñëóæèò UÊÝ (ðèñ. 3.18,à). Åñëè ÅÊÝ = 0, òî äëÿ ýëåêòðîíîâ, ïðèøåäøèõ èç ýìèòòåðà â áàçó, íåò óñêîðÿþùåãî ïîëÿ, êîòîðîå áû ïåðåíîñèëî èõ â êîëëåêòîð. Äåéñòâèòåëüíî, îáúåìíûé çàðÿä, ñóùåñòâóþùèé íà ãðàíèöå ïåðåõîäà áàçàêîëëåêòîð, îêàçûâàåòñÿ ÷àñòè÷íî ñêîìïåíñèðîâàííûì íàïðÿæåíèåì íà ýìèòòåðíîì ïåðåõîäå, è îáðàçóåìîå èì ïîëå íåäîñòàòî÷íî äëÿ ïåðåíîñà ýëåêòðîíîâ â êîëëåêòîð. Ïðè ïîäà÷å è óâåëè÷åíèè íàïðÿæåíèÿ ýìèòòåðêîëëåêòîð óâåëè÷èâàåòñÿ íàïðÿæåíèå íà êîëëåêòîðíîì ïåðåõîäå è óñêîðÿþùåå ïîëå, êîòîðîå íà÷èíàåò ïåðåíîñèòü ýëåêòðîíû èç áàçû â êîëëåêòîð. Ïðè÷åì, ÷åì áîëüøå ïîëå, òåì áîëüøå íîñèòåëåé ïåðåíîñèòñÿ â êîëëåêòîð. Ïðè ôèêñèðîâàííîì íàïðÿæåíèè ýìèòòåðáàçà ÷èñëî íîñèòåëåé, ïåðåíîñèìûõ â áàçó â åäèíèöó âðåìåíè, òîæå ôèêñèðîâàííî, è èì îãðàíè÷èâàåòñÿ ìàêñèìàëüíîå êîëè÷åñòâî ýëåêòðîíîâ, êîòîðîå ìîæåò áûòü ïåðåíåñåíî â êîëëåêòîð. Ïðè ïåðåíîñå âñåõ íîñèòåëåé íàñòóïàåò ðåæèì íàñûùåíèÿ, òî åñòü âñå ýëåêòðîíû, ïîñòóïèâøèå èç ýìèòòåðà â áàçó, îêàçàëèñü ïåðåíåñåííûìè â êîëëåêòîð, è
ÃËÀÂÀ 3. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÏÐÈÁÎÐÛ È ÊÎÌÏÎÍÅÍÒÛ
63
íà âûõîäíîé õàðàêòåðèñòèêå äîëæåí ïîÿâèòüñÿ ãîðèçîíòàëüíûé ó÷àñòîê (ïîêàçàííûé íà ðèñ. 3.18,â øòðèõàìè). Îäíàêî ðåàëüíàÿ âûõîäíàÿ õàðàêòåðèñòèêà òðàíçèñòîðà â ýòîé îáëàñòè èäåò ñ íåáîëüøèì ïîäúåìîì. Îí îáóñëîâëåí ÿâëåíèåì, íàçûâàåìûì ìîäóëÿöèåé áàçû. Äåëî â òîì, ÷òî ñ óâåëè÷åíèåì íàïðÿæåíèÿ ýìèòòåðêîëëåêòîð îáúåìíûé çàðÿä áàçàêîëëåêòîðíîãî ïåðåõîäà ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ â ãëóáü áàçû (ê ýìèòòåðíîìó ïåðåõîäó), è ñîçäàâàåìîå èì ïîëå íà÷èíàåò çàõâàòûâàòü è ïåðåíîñèòü ýëåêòðîíû èç òåõ ó÷àñòêîâ áàçû, èç êîòîðûõ ðàíüøå îíè íå ïåðåíîñèëèñü, à êîìïåíñèðîâàëèñü (ðåêîìáèíèðîâàëèñü) íîñèòåëÿìè, ïîñòàâëÿåìûìè ÅÝÁ.  ýòîì ñëó÷àå òîê áàçû òðàíçèñòîðà óìåíüøàåòñÿ, òîê êîëëåêòîðà óâåëè÷èâàåòñÿ, è íà âûõîäíîé õàðàêòåðèñòèêå ïîÿâëÿåòñÿ ó÷àñòîê âîçðàñòàíèÿ òîêà. Åñëè íàïðÿæåíèå ýìèòòåðáàçà óâåëè÷èòü, òî ÷èñëî íîñèòåëåé, ïåðåíîñèìûõ â áàçó â åäèíèöó âðåìåíè, óâåëè÷èòñÿ, è âñå òå æå ïðîöåññû áóäóò ïðîèñõîäèòü ïðè áîëüøåì òîêå êîëëåêòîðà (ðèñ. 3.18,â). Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Íàðèñóéòå âèä âõîäíîé õàðàêòåðèñòèêè äëÿ ñõåìû ñ ÎÝ. Îáúÿñíèòå ïðîèñõîäÿùèå ïðè ýòîì ïðîöåññû. 2. Íàðèñóéòå âèä âûõîäíîé õàðàêòåðèñòèêè äëÿ ñõåìû ñ ÎÝ. Îáúÿñíèòå ïðîèñõîäÿùèå ïðè ýòîì ïðîöåññû. 3. ×òî òàêîå ýôôåêò ìîäóëÿöèè áàçû? 3.2.3.2. ÑÕÅÌÀ Ñ ÎÁÙÅÉ ÁÀÇÎÉ
Ñõåìà âêëþ÷åíèÿ òðàíçèñòîðà ñ îáùåé áàçîé, õàðàêòåðèçóþùàÿñÿ òåì, ÷òî îáùèì äëÿ âõîäíîãî è âûõîäíîãî íàïðÿæåíèé ÿâëÿåòñÿ âûâîä áàçû, ïðèâåäåíà íà ðèñ. 3.19,à. Çäåñü âõîäíûì òàê æå ñëóæèò íàïðÿæåíèå ýìèòòåðáàçà (ÅÝÁ), êîòîðîå òîæå â ýìèòòåðíîì ïåðåõîäå êîìïåíñèðóåò îáúåìíûé çàðÿä, ñîçäàåò óñëîâèÿ ïåðåìåùåíèÿ íîñèòåëåé èç ýìèòòåðà â áàçó, è ïîä äåéñòâèåì êîòîðîãî ÷åðåç âûâîäû ýìèòòåðà è áàçû òðàíçèñòîðà ïðîòåêàåò òîê. Îäíàêî â ýòîé ñõåìå âêëþ÷åíèÿ ÷åðåç âûâîä áàçû êðîìå ýòîãî òîêà îäíîâðåìåííî â ïðîòèâîïîëîæíîì íàïðàâëåíèè ïðîòåêàåò òîê ïîä äåéñòâèåì íàïðÿæåíèÿ êîëëåêòîðáàçà (ÅÊÁ), òî åñòü òîê áàçû ÿâëÿåòñÿ ðàçíîñòíûì òîêîì, ïðîòåêàþùèì ïîä äåéñòâèåì îáîèõ èñòî÷íèêîâ ïèòàíèÿ: ÅÝÁ è ÅÊÁ (ñì. ðèñ. 3.19,à). Ñëåäîâàòåëüíî,
64
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
à
á
Ðèñ. 3.19
âõîäíûì òîêîì ïðîòåêàþùèì òîëüêî ïîä äåéñòâèåì âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ, ñëóæèò òîê ýìèòòåðà (IÝ), è âõîäíîé õàðàêòåðèñòèêîé òðàíçèñòîðà ïî ñõåìå ÎÁ ÿâëÿåòñÿ çàâèñèìîñòü IÝ = f(UÝÁ). Åñëè íàïðÿæåíèå ÅÊÁ = 0 (íà ðèñ. 3.19,à ïîêàçàíî øòðèõàìè), òî ïðîöåññû, ïðîèñõîäÿùèå â ýìèòòåðíîì ïåðåõîäå, íè÷åì íå îòëè÷àþòñÿ îò ïðîöåññîâ â îäèíî÷íîì ðn-ïåðåõîäå ïðè ïðèëîæåíèè ê íåìó ïðÿìîãî íàïðÿæåíèÿ, è âõîäíàÿ õàðàêòåðèñòèêà òðàíçèñòîðà ñîâïàäàåò ñ ïðÿìîé âåòâüþ ÂÀÕ ïåðåõîäà. Ïðè âêëþ÷åíèè ìåæäó áàçîé è êîëëåêòîðîì òðàíçèñòîðà èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ ÅÊÁ, ñìåùàþùåãî êîëëåêòîðíûé ïåðåõîä â îáðàòíîì íàïðàâëåíèè, ïî öåïè êîëëåêòîðáàçà íà÷èíàåò ïðîòåêàòü íåáîëüøîé îáðàòíûé òîê êîëëåêòîðà IÊÁ0, êîòîðûé íà ñîïðîòèâëåíèè rÁ ñîçäàåò íàïðÿæåíèå ñ ïîëÿðíîñòüþ, ïîêàçàííîé íà ðèñ. 3.19,à.  ýòîì ñëó÷àå äàæå ïðè îòñóòñòâèè íàïðÿæåíèÿ âõîäíîãî èñòî÷íèêà (êîãäà ÅÝÁ = 0) ïåðåõîä áàçàýìèòòåð îêàçûâàåòñÿ ñìåùåííûì â ïðÿìîì íàïðàâëåíèè è ÷åðåç ýìèòòåð òðàíçèñòîðà íà÷èíàåò ïðîòåêàòü íåêîòîðûé íà÷àëüíûé òîê (IÝÍ), ñäâèãàþùèé âõîäíóþ õàðàêòåðèñòèêó ââåðõ (ðèñ. 3.19,á). Äëÿ ñõåìû ñ ÎÁ âûõîäíûì òîêîì ÿâëÿåòñÿ òîê êîëëåêòîðà (IÊ), à âûõîäíûì íàïðÿæåíèåì íàïðÿæåíèå, ïðèëîæåííîå ìåæäó êîëëåêòîðîì è áàçîé òðàíçèñòîðà (UÊÁ). Ðàññìîòðåíèå åãî âûõîäíîé õàðàêòåðèñòèêè, òî åñòü çàâèñèìîñòè IÊ = f(UÊÁ), êàê è ðàíüøå, íà÷íåì ñ íóëåâîãî çíà÷åíèÿ íàïðÿæåíèÿ (ÅÊÁ = 0).  ýòîì ñëó÷àå òîê, ïðîòåêàþùèé ÷åðåç rÁ ïîä äåéñòâèåì ÅÝÁ, ñîçäàåò íà ýòîì ñîïðîòèâëåíèè íàïðÿæåíèå, ïîëÿðíîñòü êîòîðîãî ïîêàçàíà íà ðèñ. 3.20,à. Îíî ñìåùàåò ïåðåõîä òðàíçèñòîðà áàçàêîëëåêòîð â îáðàòíîì íàïðàâëåíèè äàæå òîãäà, êîãäà ÅÊÁ = 0 (íà ðèñ. 3.20,à
ÃËÀÂÀ 3. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÏÐÈÁÎÐÛ È ÊÎÌÏÎÍÅÍÒÛ
à
65
á
Ðèñ. 3.20
ïîêàçàíî øòðèõàìè), îáåñïå÷èâàÿ âûïîëíåíèå óñëîâèÿ ðàáîòû òðàíçèñòîðà. Ïîýòîìó íà âûõîäíîé õàðàêòåðèñòèêå ïðè ÅÊÁ = 0 òîê êîëëåêòîðà òðàíçèñòîðà îòëè÷åí îò íóëÿ, òî åñòü õàðàêòåðèñòèêà âûõîäèò íå èç íà÷àëà êîîðäèíàò. Äëÿ óìåíüøåíèÿ êîëëåêòîðíîãî òîêà äî íóëÿ íåîáõîäèìî ìåæäó áàçîé è êîëëåêòîðîì âêëþ÷èòü íàïðÿæåíèå, ïîëÿðíîñòü êîòîðîãî áûëà áû íàïðàâëåíà íàâñòðå÷ó íàïðÿæåíèþ íà rÁ è êîìïåíñèðîâàëà áû åãî. Ïðè ïîëíîé êîìïåíñàöèè òîê êîëëåêòîðà ïðîòåêàòü íå áóäåò. Îäíàêî òàêîé ðåæèì ðàáîòû òðàíçèñòîðà èñïîëüçóåòñÿ î÷åíü ðåäêî. Ïðè âêëþ÷åíèè ê áàçàêîëëåêòîðíîìó ïåðåõîäó èñòî÷íèêà íàïðÿæåíèÿ ÅÊÁ çàïèðàþùåé ïîëÿðíîñòè ÷èñëî ýëåêòðîíîâ, ïåðåìåùàþùèõñÿ èç áàçû â êîëëåêòîð, ñíà÷àëà óâåëè÷èâàåòñÿ, çàòåì, äîñòèãàÿ íàñûùåíèÿ, îñòàåòñÿ ïðèìåðíî îäèíàêîâûì (ðèñ. 3.20,á). Íåáîëüøîé ïîäúåì ðåàëüíûõ õàðàêòåðèñòèê îáóñëîâëåí ìîäóëÿöèåé áàçû òðàíçèñòîðà. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Íàðèñóéòå âõîäíóþ õàðàêòåðèñòèêó òðàíçèñòîðà äëÿ ñõåìû ñ ÎÁ. Îáúÿñíèòå ïðîèñõîäÿùèå ïðè ýòîì â òðàíçèñòîðå ïðîöåññû. 2. Íàðèñóéòå âèä âûõîäíîé õàðàêòåðèñòèêè äëÿ ñõåìû ñ ÎÁ. Ïî÷åìó òîê ÷åðåç êîëëåêòîð òðàíçèñòîðà ìîæåò ïðîòåêàòü äàæå ïðè îòñóòñòâèè âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ? 3.2.3.3. ÎÑÍÎÂÍÛÅ ÏÀÐÀÌÅÒÐÛ ÁÈÏÎËßÐÍÛÕ ÒÐÀÍÇÈÑÒÎÐÎÂ
Äëÿ ÷èñëåííûõ çíà÷åíèé, õàðàêòåðèçóþùèõ ñâîéñòâà òðàíçèñòîðîâ, èñïîëüçóþòñÿ íåñêîëüêî ðàçëè÷íûõ ñèñòåì ïàðàìåòðîâ. Íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííîé ÿâëÿåòñÿ ñèñòåìà Í-ïàðàìåòðîâ. Îíà îäèíàêîâà è äëÿ äèôôåðåíöèàëüíûõ, è äëÿ èíòåãðàëüíûõ ïàðàìåòðîâ. Íàïîìíèì, ÷òî äèôôåðåíöèàëüíûìè
66
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
íàçûâàþòñÿ ïàðàìåòðû, îïðåäåëÿåìûå ïðè íåáîëüøîì èçìåíåíèè (ïðèðàùåíèè) èçìåðÿåìûõ âåëè÷èí, ñîñòàâëÿþùèõ åäèíèöû ïðîöåíòîâ îò ñàìîé âåëè÷èíû. Îíè îáîçíà÷àþòñÿ ìàëûìè áóêâàìè, íàïðèìåð, h. Èíòåãðàëüíûìè íàçûâàþòñÿ ïàðàìåòðû, â êîòîðûõ ïðè èõ îïðåäåëåíèè â êà÷åñòâå íèæíåé ãðàíèöû èçìåíåíèÿ èçìåðÿåìîé âåëè÷èíû âûáèðàþò åå íóëåâîå çíà÷åíèå. Òî åñòü áåðåòñÿ àáñîëþòíîå çíà÷åíèå ñàìîé èçìåðÿåìîé âåëè÷èíû.  ýòîì ñëó÷àå ïàðàìåòð îáîçíà÷àåòñÿ çàãëàâíîé áóêâîé, íàïðèìåð, Í. Äëÿ îïðåäåëåííîñòè ïðè ðàññìîòðåíèè áóäåì èñïîëüçîâàòü äèôôåðåíöèàëüíûå ïàðàìåòðû. Ñèñòåìà h-ïàðàìåòðîâ ñâÿçûâàåò ìåæäó ñîáîé âõîäíûå è âûõîäíûå íàïðÿæåíèÿ è òîêè. Âõîäíûì ïðèñâàèâàþò èíäåêñ «1», âûõîäíûì «2».  ýòîì ñëó÷àå Um1 ñîîòâåòñòâóåò àìïëèòóäå âõîäíîãî, à Um2 âûõîäíîãî íàïðÿæåíèé. Òîãäà ñèñòåìà óðàâíåíèé, èñïîëüçóåìûõ ïðè îïðåäåëåíèè h-ïàðàìåòðîâ, èìååò âèä: Um1 = h11Im1 + h12Um2; Im2 = h21Im1 + h22Um2. Ïðèíèìàÿ â íèõ îäíó èç âåëè÷èí òîêà èëè íàïðÿæåíèÿ íåèçìåííîé, òî åñòü íå èìåþùåé ïåðåìåííîé ñîñòàâëÿþùåé, ìîæíî ïîî÷åðåäíî îïðåäåëèòü âñå âõîäÿùèå â óðàâíåíèÿ ïàðàìåòðû. Èõ ÷èñëåííûå çíà÷åíèÿ çàâèñÿò îò ñõåì âêëþ÷åíèÿ òðàíçèñòîðîâ, ïîýòîìó äëÿ êîíêðåòèçàöèè â îáîçíà÷åíèÿõ ïàðàìåòðîâ äîáàâëÿþò áóêâó, ïîêàçûâàþùóþ ñõåìó âêëþ÷åíèÿ òðàíçèñòîðà, ïðè êîòîðîé îíè áûëè îïðåäåëåíû (Ý ÎÝ, Á ÎÁ, Ê ÎÊ). Ðàññìîòðèì ïàðàìåòðû è èõ òèïîâûå ÷èñëåííûå çíà÷åíèÿ äëÿ ñõåì âêëþ÷åíèÿ ñ ÎÝ è ÎÁ, ïðè ýòîì íàïîìíèì, ÷òî åñëè èçìåðåíèÿ ïàðàìåòðîâ ïðîâîäÿòñÿ íà ïîñòîÿííîì òîêå, òî Um è Im çàìåíÿþòñÿ ñîîòâåòñòâåííî íà DU è DI, òîãäà Um = 0 èëè Im = 0 îçíà÷àåò, ÷òî ñîîòâåòñòâóþùèå U = const èëè I = const. h11 = Um1/Im1 (ïðè Um2 = 0) âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå òðàíçèñòîðà. Äëÿ ñõåìû ñ ÎÝ h11Ý = UmÝÁ/ImÁ è ñîñòàâëÿåò îêîëî 1 êÎì, äëÿ ñõåìû ñ ÎÁ h11Á = UmÝÁ/ImÝ è ñîñòàâëÿåò åäèíèöû èëè äåñÿòêè Îì. h12 = Um1/Um2 (ïðè Im1 = 0) êîýôôèöèåíò îáðàòíîé ñâÿçè òðàíçèñòîðà. Äëÿ ñõåìû ñ ÎÝ h12Ý = UmÝÁ/UmÊÝ è ñîñòàâëÿåò 103104, äëÿ ñõåìû ñ ÎÁ h12Á = UmÝÁ/UmÊÁ è òîæå ñîñòàâëÿåò 103104.
ÃËÀÂÀ 3. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÏÐÈÁÎÐÛ È ÊÎÌÏÎÍÅÍÒÛ
67
h21 = Im2/Im1 (ïðè Um2 = 0) êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è ïî òîêó. Äëÿ ñõåìû ñ ÎÝ h21Ý = ImÊ/ImÁ = b è ñîñòàâëÿåò äåñÿòêè ñîòíè ðàç, äëÿ ñõåìû ñ ÎÁ h21Á = ImÊ/ImÝ = a è åãî âåëè÷èíà ìåíüøå 1 (0,950,998). Êîýôôèöèåíòû ïåðåäà÷è ïî òîêó äëÿ ýòèõ ñõåì âêëþ÷åíèÿ ñâÿçàíû ìåæäó ñîáîé ñîîòíîøåíèåì b = a/(1 a). h22 = Im2/Um2 (ïðè Im1 = 0) âûõîäíàÿ ïðîâîäèìîñòü òðàíçèñòîðà. Äëÿ ñõåìû ñ ÎÝ 1/h22Ý = UmÊÝ/ImÊ è ñîñòàâëÿåò åäèíèöûäåñÿòêè êÎì, äëÿ ñõåìû ñ ÎÁ 1/h22Á = UmÊÁ/ImÊ = rÊ è ñîñòàâëÿåò ñîòíè êÎì åäèíèöû ÌÎì. Åùå îäíèì èç ÷àñòî èñïîëüçóåìûõ ïàðàìåòðîâ òðàíçèñòîðà ÿâëÿåòñÿ êðóòèçíà õàðàêòåðèñòèêè åãî óïðàâëåíèÿ èëè ïðîñòî «êðóòèçíà», ïîêàçûâàþùàÿ íàñêîëüêî èçìåíÿåòñÿ âûõîäíîé òîê òðàíçèñòîðà ïðè èçìåíåíèè âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ S = ImÊ/UmÝÁ = h21/h11. Åäèíèöåé åå èçìåðåíèÿ ñëóæèò ìÀ/Â. Ïðè óñèëåíèè êîëåáàíèé ñ âûñîêèìè ÷àñòîòàìè (êîãäà íà÷èíàþò ïðîÿâëÿòüñÿ áàðüåðíûå è äèôôóçèîííûå åìêîñòè) êðóòèçíà ñòàíîâèòñÿ êîìïëåêñíîé, ÷òî ó÷èòûâàåòñÿ ïî ôîðìóëå: S = S0/(1 + jwtS), ãäå S0 íèçêî÷àñòîòíîå çíà÷åíèå êðóòèçíû, tS ïîñòîÿííàÿ âðåìåíè êðóòèçíû. Îñíîâíûå ïàðàìåòðû òðàíçèñòîðà ìîãóò áûòü èçìåðåíû ñïåöèàëüíûìè èçìåðèòåëüíûìè ïðèáîðàìè, ëèáî ðàññ÷èòàíû ïî åãî õàðàêòåðèñòèêàì. Ó÷èòûâàÿ, ÷òî äèôôåðåíöèàëüíûå ïàðàìåòðû â çíà÷èòåëüíîé ñòåïåíè çàâèñÿò îò àáñîëþòíûõ âåëè÷èí ïðîòåêàþùèõ ÷åðåç òðàíçèñòîð òîêîâ èëè ïðèëîæåííûõ ê íåìó íàïðÿæåíèé, èõ çíà÷åíèÿ óêàçûâàþòñÿ îäíîâðåìåííî ñ ñàìèìè ïàðàìåòðàìè êàê óñëîâèÿ èçìåðåíèÿ. Íèæå òîêè è íàïðÿæåíèÿ, îïðåäåëÿþùèå óñëîâèÿ èçìåðåíèé, îáîçíà÷åíû êàê IÁ È è UÊÝ È. Ïðè ðàñ÷åòàõ ïàðàìåòðîâ èçìåíåíèÿ íàïðÿæåíèÿ è òîêà âûáèðàþò íåáîëüøèìè (åäèíèöû ïðîöåíòà îò èçìåðÿåìîé âåëè÷èíû), ñîñòàâëÿþùèìè èíòåðâàë, îõâàòûâàþùèé IÁ È èëè UÊÝ È. Íà ðèñ. 3.21 ïðèâåäåíû óïðîùåííûå âõîäíûå (ðèñ. 3.21,à) è âûõîäíûå (ðèñ. 3.21,á) õàðàêòåðèñòèêè òðàíçèñòîðà, âêëþ÷åííîãî ïî ñõåìå ñ ÎÝ, è ïðèìåðû âû÷èñëåíèÿ ïî íèì îñíîâíûõ ïàðàìåòðîâ. Âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå òðàíçèñòîðà ðàññ÷èòûâàåòñÿ ïî ãðàôèêó åãî âõîäíîé õàðàêòåðèñòèêè, ñîîòâåòñòâóþùåìó çàäàííîìó íàïðÿæåíèþ êîëëåêòîðýìèòòåð UÊÝ È: RÂÕÝ = h11Ý = DUÝÁ/DIÁ = (UÝÁ2 UÝÁ1)/(IÁ2 IÁ1) (ïðè UÊÝ = UÊÝ È).
68 à
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
á
Ðèñ. 3.21
Ïî âûõîäíîé õàðàêòåðèñòèêå íàõîäèòñÿ êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è ïî òîêó: h21Ý = b = DIÊ/DIÁ = (IÊ2 IÊ1)/(IÁ2 IÁ1) (ïðè UÊÝ = UÊÝ È), ãäå IÁ2 è IÁ1 áàçîâûå òîêè, ïðè êîòîðûõ ñíÿòû ñîîòâåòñòâóþùèå ãðàôèêè âûõîäíîé õàðàêòåðèñòèêè. Âûõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå òðàíçèñòîðà òàê æå íàõîäèòñÿ ïî âûõîäíîé õàðàêòåðèñòèêå: RÂÛÕ Ý = 1/h22Ý = DUÊÝ/DIÊ = (UÊÝ4 UÊÝ3)/(IÊ4 IÊ3) (ïðè IÁ1 = IÁ È). Äëÿ âû÷èñëåíèÿ êðóòèçíû íåîáõîäèìî èñïîëüçîâàòü êàê âûõîäíóþ, òàê è âõîäíóþ õàðàêòåðèñòèêè. Ñíà÷àëà çàäàåòñÿ ïðèðàùåíèå òîêà êîëëåêòîðà (íàïðèìåð, îò IÊ2 äî IÊ1 ïðè UÊÝ = UÊÝ È). Ýòèì òîêàì ñîîòâåòñòâóþò òîêè áàçû IÁ2 è IÁ1 (ðèñ. 3.21,á). Ïåðåíîñÿ èõ çíà÷åíèÿ íà âõîäíóþ õàðàêòåðèñòèêó òðàíçèñòîðà (ðèñ. 3.21,à), íàõîäÿò ñîîòâåòñòâóþùèå çíà÷åíèÿ âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ (UÝÁ2 è UÝÁ1), òîãäà S = DIÊ/DUÝÁ = = (IÊ2 IÊ1)/(UÝÁ2 UÝÁ1). Âåëè÷èíó êðóòèçíû ìîæíî ðàññ÷èòàòü è çàäàâàÿ ñíà÷àëà èçìåíåíèå âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ UÝÁ2 è UÝÁ1, ïî êîòîðûì íàõîäÿò èçìåíåíèÿ òîêà áàçû è êîëëåêòîðà òðàíçèñòîðà. Ñ ïîâûøåíèåì ÷àñòîòû óñèëèòåëüíûå ñâîéñòâà òðàíçèñòîðîâ óõóäøàþòñÿ. Äëÿ èõ îöåíêè ïîëüçóþòñÿ: ãðàíè÷íîé ÷àñòîòîé óñèëåíèÿ ÷àñòîòîé, íà êîòîðîé êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è ïî òîêó óìåíüøàåòñÿ äî óðîâíÿ 0,7 ïî ñðàâíåíèþ ñ åãî çíà÷åíèåì íà íèçêèõ ÷àñòîòàõ ðàáî÷åãî äèàïàçîíà; ìàêñèìàëüíîé ÷àñòîòîé ãåíåðàöèè ïðè êîòîðîé êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è òðàíçèñòîðà ïî ìîùíîñòè ñíèæàåòñÿ äî 1; ïðåäåëüíîé ÷àñòîòîé óñèëåíèÿ òîêà ÷àñòîòîé, íà êîòîðîé êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è ïî òîêó äëÿ ñõåìû ñ ÎÝ ñòàíîâèòñÿ ðàâíûì 1.
ÃËÀÂÀ 3. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÏÐÈÁÎÐÛ È ÊÎÌÏÎÍÅÍÒÛ
69
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Ðàññêàæèòå î ñèñòåìå H-ïàðàìåòðîâ òðàíçèñòîðîâ. Êàêèå âåëè÷èíû ñâÿçûâàåò îíà ìåæäó ñîáîé? 2. ×åì èíòåãðàëüíûå ïàðàìåòðû îòëè÷àþòñÿ îò äèôôåðåíöèàëüíûõ? 3. Ðàññêàæèòå î ôèçè÷åñêîì ñìûñëå êàæäîãî èç h-ïàðàìåòðîâ. 4. Êàê ó÷èòûâàåòñÿ ñíèæåíèå êðóòèçíû òðàíçèñòîðà ïðè ïîâûøåíèè åãî ðàáî÷åé ÷àñòîòû? 5. Ïî êàêèì õàðàêòåðèñòèêàì è êàê îïðåäåëÿþòñÿ h11, h12, h21, h22? 6. Íàçîâèòå äðóãèå ïàðàìåòðû, õàðàêòåðèçóþùèå ðàáîòó òðàíçèñòîðà. 3.2.3.4. ÝÊÂÈÂÀËÅÍÒÍÀß ÑÕÅÌÀ ÒÐÀÍÇÈÑÒÎÐÀ
Ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà òðàíçèñòîðà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé åãî ìîäåëü, è, êàê ëþáàÿ ìîäåëü, ïðàâèëüíî îòðàæàåò ëèøü îïðåäåëåííûå ñâîéñòâà è ðåæèìû ðàáîòû òðàíçèñòîðà. Ñóùåñòâóåò íåñêîëüêî ðàçíîâèäíîñòåé ýêâèâàëåíòíûõ ñõåì òðàíçèñòîðîâ, îäíàêî çäåñü ðàññìîòðèì òîëüêî ëèíåéíóþ (ñîñòîÿùóþ ëèøü èç ëèíåéíûõ ýëåìåíòîâ ðåçèñòîðîâ è êîíäåíñàòîðîâ) ìàëîñèãíàëüíóþ (îòðàæàþùóþ ñâîéñòâà ïðè íåáîëüøèõ èçìåíåíèÿõ íàïðÿæåíèÿ è òîêà îòíîñèòåëüíî èñõîäíîé ðàáî÷åé òî÷êè) ýêâèâàëåíòíóþ ñõåìó òðàíçèñòîðà (ðèñ. 3.22), ïîçâîëÿþùóþ â áîëüøèíñòâå ðàññìàòðèâàåìûõ ñëó÷àåâ îáúÿñíèòü ðàáîòó óñòðîéñòâ. Ïðè îáîñíîâàíèè ìîäåëè Ðèñ. 3.22 âîñïîëüçóåìñÿ óïðîùåííîé êîíñòðóêöèåé òðàíçèñòîðà (ðèñ. 3.16,à). Åãî ýëåêòðè÷åñêàÿ ñòðóêòóðà â ìîäåëè îòðàæåíà â âèäå ðåçèñòîðîâ: rÝ ñîïðîòèâëåíèå îáëàñòè ýìèòòåðà è ýìèòòåðíîãî ïåðåõîäà, ñìåùåííîãî â ïðÿìîì íàïðàâëåíèè, ðàññ÷èòûâàåìîå îáû÷íî ïî ôîðìóëå rÝ = 26 (ìÂ)/IÝ; rÁ ïîïåðå÷íîå ñîïðîòèâëåíèå áàçû; rÊ ñîïðîòèâëåíèå êîëëåêòîðíîãî ïåðåõîäà è îáëàñòè êîëëåêòîðà ïðè ñìåùåíèè åãî â îáðàòíîì íàïðàâëåíèè. Äëÿ ó÷åòà ôîðìèðîâàíèÿ òðàíçèñòîðîì ïåðåìåííîãî (óñèëèâàåìîãî) ñèãíàëà â ìîäåëü ââîäÿò ýêâèâàëåíòíûé ãåíåðàòîð. Ýòî ìîæåò áûòü ëèáî ýêâèâàëåíòíûé ãåíåðàòîð òîêà, ëèáî ýêâèâàëåíòíûé ãåíåðàòîð íàïðÿæåíèÿ (ðàçäåë 2.1). Èç ñðàâíåíèÿ âûõîäíûõ õàðàêòåðèñòèê òðàíçèñòîðà (ðèñ. 3.20,á)
70
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
â ðàáî÷åé îáëàñòè (ãîðèçîíòàëüíûå ó÷àñòêè õàðàêòåðèñòèê íà ðèñ. 3.20,á) è õàðàêòåðèñòèê ýêâèâàëåíòíûõ ãåíåðàòîðîâ (ðèñ. 2.1,â) âèäíî, ÷òî çäåñü öåëåñîîáðàçíî èñïîëüçîâàòü ýêâèâàëåíòíûé ãåíåðàòîð òîêà, äëÿ êîòîðîãî âèä ýòèõ õàðàêòåðèñòèê íàèáîëåå áëèçîê. Âåëè÷èíà òîêà Ià îïðåäåëÿåòñÿ ÷åðåç òîê ýìèòòåðà Ià = aIÝ. Ïðè ðàññìîòðåíèè ðàáîòû òðàíçèñòîðà îòìå÷àëîñü, ÷òî íà ãðàíèöå êîëëåêòîðíîãî ïåðåõîäà ñóùåñòâóþò îáúåìíûå çàðÿäû, ðàçäåëåííûå äèýëåêòðèêîì, â ìîäåëè ýòî ó÷èòûâàåòñÿ ââåäåíèåì ýêâèâàëåíòíîãî êîíäåíñàòîðà ÑÁÊ (ðèñ. 3.22). Îáúåìíûé çàðÿä ýìèòòåðíîãî ïåðåõîäà ñêîìïåíñèðîâàí ñìåùåíèåì ïåðåõîäà â ïðÿìîì íàïðàâëåíèè, îäíàêî ïðîèñõîäÿùåå ïåðåìåùåíèå íîñèòåëåé èç îáëàñòè ýìèòòåðà â îáëàñòü áàçû, à çàòåì êîëëåêòîðà íà âûñîêèõ ÷àñòîòàõ ñîçäàåò çàïàçäûâàíèå â ïðîòåêàíèè òîêà. Ýòî ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî ïðè êîëåáàíèÿõ, ïåðèîä êîòîðûõ ñîïîñòàâèì ñî âðåìåíåì ïåðåìåùåíèÿ íîñèòåëåé èç ýìèòòåðà ê êîëëåêòîðó, ïîëå èç óñêîðÿþùåãî (óâåëè÷èâàþùåãî òîê) â çàìåäëÿþùåå óñïåâàåò ïåðåéòè áûñòðåå, ÷åì âñå âûçâàííûå èì íîñèòåëè äîñòèãíóò îáëàñòè êîëëåêòîðíîãî ïåðåõîäà. Ýòî ïðèâîäèò ê óâåëè÷åíèþ òîêà áàçû è óìåíüøåíèþ êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ ïî òîêó òðàíçèñòîðà. Äëÿ ó÷åòà òàêîãî âëèÿíèÿ ââîäÿò ýêâèâàëåíòíûé êîíäåíñàòîð ÑÝÁ, èíîãäà íàçûâàåìûé «äèôôóçèîííîé åìêîñòüþ ýìèòòåðíîãî ïåðåõîäà». Èíîãäà áûâàåò óäîáíåå âûðàçèòü Ià ÷åðåç äðóãèå òîêè èëè íàïðÿæåíèÿ.  ýòîì ñëó÷àå íåîáõîäèìî îäíîâðåìåííî èçìåíèòü çíà÷åíèÿ ñîïðîòèâëåíèÿ è åìêîñòè, ïîäêëþ÷åííûõ íà ýêâèâàëåíòíîé ñõåìå ïàðàëëåëüíî ãåíåðàòîðó. Åñëè òîê ãåíåðàòîðà âûðàæàåòñÿ ÷åðåç òîê áàçû Ià = bIÁ, òî rÊ çàìåíÿåòñÿ íà rÊ* = rÊ/(1 + b), à ÑÁÊ íà ÑÁÊ* = ÑÁÊ(1 + b); åñëè ÷åðåç âõîäíîå íàïðÿæåíèå Ià = SUÝÁ, òî rÊ çàìåíÿåòñÿ íà Ri = rÊ/(1 + S rÁ), à ÑÁÊ íà Ñ22 = ÑÁÊ(1 + S rÁ). Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Íàðèñóéòå ýêâèâàëåíòíóþ ñõåìó òðàíçèñòîðà è ïîÿñíèòå âñå åå ýëåìåíòû. 2. ×åì ýêâèâàëåíòíûé ãåíåðàòîð òîêà îòëè÷àåòñÿ îò ýêâèâàëåíòíîãî ãåíåðàòîðà íàïðÿæåíèÿ? 3. Îáîñíóéòå öåëåñîîáðàçíîñòü èñïîëüçîâàíèÿ â ýêâèâàëåíòíîé ñõåìå òðàíçèñòîðà ýêâèâàëåíòíîãî ãåíåðàòîðà òîêà, à íå íàïðÿæåíèÿ. 4. ×åì îáóñëîâëåíî ââåäåíèå êîíäåíñàòîðîâ â ýêâèâàëåíòíóþ ñõåìó òðàíçèñòîðà?
ÃËÀÂÀ 3. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÏÐÈÁÎÐÛ È ÊÎÌÏÎÍÅÍÒÛ
71
3.2.4. ÏÎËÅÂÛÅ ÒÐÀÍÇÈÑÒÎÐÛ
Ïîëåâûå òðàíçèñòîðû îòëè÷àþòñÿ îò áèïîëÿðíûõ òåì, ÷òî â íèõ òîê îò îäíîãî ýëåêòðîäà, íàçûâàåìîãî èñòîêîì, ê äðóãîìó, íàçûâàåìîìó ñòîêîì, òå÷åò ïî íåïðåðûâíîìó ó÷àñòêó ïîëóïðîâîäíèêà, íàçûâàåìîìó êàíàëîì. Ïî ñïîñîáó óïðàâëåíèÿ ïîëåâûå òðàíçèñòîðû äåëÿòñÿ íà òðàíçèñòîðû ñ óïðàâëÿþùèì pn-ïåðåõîäîì è òðàíçèñòîðû ñ èçîëèðîâàííûì çàòâîðîì. Óïðîùåííàÿ ñòðóêòóðíàÿ ìîäåëü òðàíçèñòîðà ñ óïðàâëÿþùèì pn-ïåðåõîäîì, åãî âêëþ÷åíèå è óñëîâíîå ãðàôè÷åñêîå èçîáðàæåíèå ïðèâåäåíû íà ðèñ. 3.23. Ïëàñòèíà ïîëóïðîâîäíèêà n-òèïà èìååò ñ äâóõ ñòîðîí âûâîäû: èñòîê, îáîçíà÷åííûé íà ðèñ. 3.23 áóêâîé «È», è ñòîê áóêâîé «Ñ». Ñ ïîìîùüþ èõ ê òðàíçèñòîðó ïîäêëþ÷àåòñÿ íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ: äëÿ ðàññìàòðèâàåìîãî ñëó÷àÿ ê èñòîêó îòðèöàòåëüíûé, à ê ñòîêó ïîëîæèòåëüíûé ïîëþñ íàïðÿæåíèÿ ïèòàíèÿ ÅÑÈ.  ïëàñòèíó ïîìåùàþòñÿ îáëàñòè ïîëóïðîâîäíèêà ð-òèïà, íàçûâàåìûå çàòâîðàìè (Ç), êîòîðûå îáû÷íî ñîåäèíåíû ìåæäó ñîáîé. Ðàññòîÿíèå ìåæäó íèìè îáðàçóåò êàíàë. Ïîëóïðîâîäíèêè ïðîòèâîïîëîæíîãî òèïà ïðîâîäèìîñòè (çàòâîðîâ è êàíàëà) ñîçäàþò ðn-ïåðåõîä, ïîêàçàííûé íà ðèñ. 3.23 çàøòðèõîâàííûìè îáëàñòÿìè. Åãî øèðèíà ìîæåò ìåíÿòüñÿ, èçìåíÿÿ øèðèíó êàíàëà. Äëÿ ýôôåêòèâíîé ðåãóëèðîâêè øèðèíû ðn-ïåðåõîäà îí äîëæåí áûòü ñìåùåí â îáðàòíîì íàïðàâëåíèè, òàê êàê ýòî ïîçâîëèò ðåãóëèðîâàòü êàíàë îò ìàêñèìàëüíîé øèðèíû (ïðè ÅÇÈ = 0) äî åãî ïîëíîn ãî èñ÷åçíîâåíèÿ ïðè ñìûêàíèè çàïèðàþùèõ ñëîåâ pnïåðåõîäîâ.  ýòîì ñëó÷àå òîê ñòîêà èçìåíÿåòñÿ îò IÑ max äî íóëÿ (ñì. ðèñ. 3.24,à), è õàðàêòåðèñòèêà, îòðàæàþùàÿ ýòó çàâèñèìîñòü, íàçûâàåòñÿ «ñòîêîçàòâîðíîé». Ðèñ. 3.23
72
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
à
á
Ðèñ. 3.24
Ïðåäïîëîæèì, ÷òî ìåæäó èñòîêîì è çàòâîðîì òðàíçèñòîðà ïîäàíî íåêîòîðîå íàïðÿæåíèå çàïèðàþùåé ïîëÿðíîñòè ÅÇÈ1, óñòàíîâèâøåå îïðåäåëåííóþ øèðèíó êàíàëà (ðèñ. 3.24,á). Ïðè ïîäêëþ÷åíèè íàïðÿæåíèÿ ìåæäó èñòîêîì è ñòîêîì è åãî óâåëè÷åíèè ýëåêòðîíû èç îáëàñòè èñòîêà íà÷èíàþò ïåðåìåùàòüñÿ â îáëàñòü ñòîêà, òîê òðàíçèñòîðà íàðàñòàåò, ïðè÷åì åãî âåëè÷èíà îïðåäåëÿåòñÿ ñîïðîòèâëåíèåì êàíàëà. Îäíàêî ïî ìåðå óâåëè÷åíèÿ òîêà ñòîêà íàïðÿæåíèå, âûäåëÿþùååñÿ íà ñîïðîòèâëåíèè êàíàëà (êîòîðîå íà ðèñ. 3.23 ïîêàçàíî ðàñïðåäåëåííûì è ñîñòîÿùèì èç 4 ðåçèñòîðîâ), ðàñòåò. Åãî ïîëÿðíîñòü ìåæäó îáëàñòüþ çàòâîðà è èñòîêîì ÿâëÿåòñÿ çàïèðàþùåé äëÿ ðàññìàòðèâàåìûõ ðn-ïåðåõîäîâ. Ýòî íàïðÿæåíèå ñêëàäûâàåòñÿ ñ ÅÇÈ, ðàñøèðÿåò çàïèðàþùèé ñëîé ïåðåõîäîâ, óìåíüøàåò øèðèíó êàíàëà, óâåëè÷èâàåò åãî ñîïðîòèâëåíèå è ñíèæàåò íàðàñòàíèå òîêà. Íàèáîëüøàÿ ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ ñîçäàåòñÿ â îáëàñòè, ïðèìûêàþùåé ê ñòîêó, ïîýòîìó øèðèíà êàíàëà çäåñü ìèíèìàëüíà. Ïðîäîëæàþùååñÿ óâåëè÷åíèå òîêà ñòîêà ïðèâîäèò ê äàëüíåéøåìó óâåëè÷åíèþ íàïðÿæåíèÿ íà ñîïðîòèâëåíèè êàíàëà, åãî ñóæåíèþ, à çíà÷èò, îãðàíè÷åíèþ è ñíèæåíèþ òîêà ñòîêà. Óìåíüøåíèå òîêà ñòîêà ñîïðîâîæäàåòñÿ ñíèæåíèåì íàïðÿæåíèÿ çàïèðàíèÿ, ðàñøèðåíèåì êàíàëà è óâåëè÷åíèåì òîêà ñòîêà. Òàê îñóùåñòâëÿåòñÿ ðåãóëèðîâàíèå øèðèíû êàíàëà, êîòîðîå ïðèâîäèò ê ïîääåðæàíèþ ïî÷òè ïîñòîÿííûì òîêà ñòîêà òðàíçèñòîðà è ñóùåñòâîâàíèþ íà åãî âûõîäíîé õàðàêòåðèñòèêå (ðèñ. 3.24,á) ãîðèçîíòàëüíûõ ó÷àñòêîâ (ðåæèì íàñûùåíèÿ). Ïðèëîæåíèå ìåæäó âûâîäàìè èñòîê è çàòâîð íàïðÿæåíèÿ |ÅÇÈ2| < |ÅÇÈ1|, òî åñòü óìåíüøàþùåãî çàïèðàþùèé ñëîé, ïðèâîäèò ê óâåëè÷åíèþ øèðèíû êàíàëà, è ðàññìîòðåííûå ïðîöåññû áóäóò íà÷èíàòüñÿ ïðè áîëüøåì òîêå ñòîêà IÑ.
ÃËÀÂÀ 3. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÏÐÈÁÎÐÛ È ÊÎÌÏÎÍÅÍÒÛ
73
Èç ïðèâåäåííîãî îïèñàíèÿ òðàíçèñòîðà âèäíî, ÷òî åãî âõîäíûì òîêîì äëÿ ñõåìû âêëþ÷åíèÿ ñ îáùèì èñòîêîì ÿâëÿåòñÿ îáðàòíûé òîê ðn-ïåðåõîäà, âåëè÷èíà êîòîðîãî ñîñòàâëÿåò åäèíèöûäåñÿòêè íàíîàìïåð, à çíà÷èò, ïîëåâûå òðàíçèñòîðû îáëàäàþò áîëüøèì, ïðåâûøàþùèì 1 ÌÎì, âõîäíûì ñîïðîòèâëåíèåì. Ñòîëü ìàëàÿ âåëè÷èíà òîêà çàòâîðà äåëàåò íåöåëåñîîáðàçíûì èñïîëüçîâàíèå äëÿ õàðàêòåðèñòèêè òðàíçèñòîðà ïàðàìåòðà «êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è ïî òîêó», ïîýòîìó äëÿ ñîïîñòàâëåíèÿ óñèëèòåëüíûõ ñâîéñòâ òðàíçèñòîðîâ èñïîëüçóþò çíà÷åíèå êðóòèçíû ñòîêî-çàòâîðíîé õàðàêòåðèñòèêè S = DIÑ/DÅÇÈ, ïîêàçûâàþùåé îòíîøåíèå ïðèðàùåíèÿ òîêà ñòîêà ê âûçâàâøåìó åãî ïðèðàùåíèþ íàïðÿæåíèÿ çàòâîð èñòîê. Âòîðûì ïàðàìåòðîì, èìåþùèì ñóùåñòâåííîå îòëè÷èå îò áèïîëÿðíûõ òðàíçèñòîðîâ, ÿâëÿåòñÿ âûõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå òðàíçèñòîðà RÊÀÍ = DUÑÈ/DIÑ, èçìåðåííîå íà íà÷àëüíîì ó÷àñòêå åãî âûõîäíîé õàðàêòåðèñòèêè. Åãî âåëè÷èíà îïðåäåëÿåòñÿ ñîïðîòèâëåíèåì êàíàëà è äëÿ ìàëîìîùíûõ òðàíçèñòîðîâ ñîñòàâëÿåò ñîòíè îìà, äëÿ ìîùíûõ äåñÿòûå è ñîòûå äîëè îìà. Îäíàêî è ïðè òàêîé âåëè÷èíå ñîïðîòèâëåíèÿ êàíàëà íàïðÿæåíèå íà ïîëíîñòüþ îòêðûòûõ òðàíçèñòîðàõ ïðèáëèæàåòñÿ ê 1
7 Â, ÷òî îãðàíè÷èâàåò èñïîëüçîâàíèå ïîëåâûõ òðàíçèñòîðîâ â êà÷åñòâå ýëåìåíòîâ âûõîäíûõ êàñêàäîâ, ãäå òðåáóåòñÿ ìèíèìàëüíîå îñòàòî÷íîå íàïðÿæåíèå íà ïîëíîñòüþ îòêðûòûõ ýëåìåíòàõ. Èíåðöèîííûå (÷àñòîòíûå) ñâîéñòâà òðàíçèñòîðîâ îáóñëîâëåíû äâóìÿ ôàêòîðàìè: áàðüåðíîé åìêîñòüþ ðn-ïåðåõîäà, ñìåùåííîãî â îáðàòíîì íàïðàâëåíèè, è âðåìåíåì ïðîëåòà ýëåêòðîíîâ âäîëü êàíàëà.  óñëîâíûõ ãðàôè÷åñêèõ îáîçíà÷åíèÿõ ïîëåâûõ òðàíçèñòîðîâ âåðòèêàëüíàÿ äèàìåòðàëüíàÿ ëèíèÿ ñèìâîëèçèðóåò êàíàë, ïîýòîìó íàïðàâëåííîå ê íåé îñòðèå ñòðåëêè ïîêàçûâàåò, ÷òî êàíàë âûïîëíåí èç ïîëóïðîâîäíèêà ï-òèïà. Äëÿ òðàíçèñòîðîâ ñ êàíàëîì ð-òèïà ñòðåëêà íàïðàâëåíà â ïðîòèâîïîëîæíóþ ñòîðîíó (îíà âñåãäà íàïðàâëåíà îò ïîëóïðîâîäíèêà ð-òèïà ê n-òèïó). Ðàññìîòðèì ðàáîòó òðàíçèñòîðîâ ñ èçîëèðîâàííûì çàòâîðîì. Èõ èíà÷å íàçûâàþò ÌÄÏ (ìåòàëëäèýëåêòðèêïîëóïðîâîäíèê) èëè ÌÎÏ (ìåòàëëîêèñåëïîëóïðîâîäíèê) òðàíçèñòîðàìè. Ðàçëè÷àþò òðàíçèñòîðû ñ èíäóöèðîâàííûì
74
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
à
á
Ðèñ. 3.25
è âñòðîåííûì êàíàëàìè. Óïðîùåííàÿ ñòðóêòóðíàÿ ìîäåëü òðàíçèñòîðà ñ èçîëèðîâàííûì çàòâîðîì è èíäóöèðîâàííûì êàíàëîì, åãî âêëþ÷åíèå è óñëîâíîå ãðàôè÷åñêîå èçîáðàæåíèå ïðèâåäåíû íà ðèñ. 3.25.  îñíîâíîé (áàçîâîé) ïëàñòèíå, íàçûâàåìîé ïîäëîæêîé, ñîçäàíû èçîëèðîâàííûå ìåæäó ñîáîé îáëàñòè ïðîòèâîïîëîæíîãî ïî îòíîøåíèþ ê ïîäëîæêå òèïà ïðîâîäèìîñòè (n-òèïà íà ðèñ. 3.25,à). Ýòî îáëàñòè ñòîêà è èñòîêà; ñâåðõó îíè ïîêðûâàþòñÿ ñëîåì äèýëåêòðèêà (êàê ïðàâèëî, íà îñíîâå îêèñëîâ êðåìíèÿ), à çàòåì ìåòàëëè÷åñêîé ïëàñòèíîé çàòâîðà. Ïðè íàïðÿæåíèè ÅÇÈ = 0 êàíàë îòñóòñòâóåò, è ïðè ïðèëîæåíèè ìåæäó âûâîäàìè èñòîêñòîê òðàíçèñòîðà íàïðÿæåíèÿ ÅÑÈ òîê ñòîêà ðàâåí íóëþ (ãðàôèê 1 íà ðèñ. 3.25,á). Åñëè ê çàòâîðó ïðèëîæåí ïîëîæèòåëüíûé ïîëþñ ÅÇÈ, òî ýëåêòðîíû èç n-îáëàñòåé áóäóò ïðèòÿãèâàòüñÿ ê îêèñëó è â ïðèïîâåðõíîñòíîì ñëîå ïîëóïðîâîäíèêà áóäåò ñîçäàâàòüñÿ ïðîâîäÿùèé ñëîé êàíàë, ïîêàçàííûé øòðèõàìè íà ðèñ. 3.25,à. Ïðè íàïðÿæåíèè ÅÇÈ ³ U0 êàíàë îáðàçóåòñÿ ïîëíîñòüþ è ÷åðåç íåãî íà÷èíàåò ïðîòåêàòü òîê ñòîêà. Íàïðÿæåíèå U0 ïðèíÿòî íàçûâàòü ïîðîãîâûì íàïðÿæåíèåì. Ïðè äàëüíåéøåì óâåëè÷åíèè ÅÇÈ øèðèíà êàíàëà óâåëè÷èâàåòñÿ è òîê ñòîêà âîçðàñòàåò. Åñëè èçìåíÿòü íàïðÿæåíèå ÅÑÈ, òî ïðîèñõîäÿùèå ïðè ýòîì ïðîöåññû, ñîâïàäàþò ñ àíàëîãè÷íûìè, ðàññìîòðåííûìè äëÿ òðàíçèñòîðîâ ñ óïðàâëÿþùèì pn-ïåðåõîäîì, ïîýòîìó âèä èõ âûõîäíûõ õàðàêòåðèñòèê îäèí è òîò æå.  óñëîâíûõ ãðàôè÷åñêèõ îáîçíà÷åíèÿõ ðàññìàòðèâàåìûõ òðàíçèñòîðîâ èíäóöèðîâàííûé êàíàë îáîçíà÷àåòñÿ øòðèõîâîé ëèíèåé, à ñòðåëêà, êàê è ðàíüøå, ïîìîãàåò îïðåäåëèòü òèï êàíàëà: íà ðèñ. 3.25 îí ï-òèïà.
ÃËÀÂÀ 3. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÏÐÈÁÎÐÛ È ÊÎÌÏÎÍÅÍÒÛ
75
 òðàíçèñòîðå ñî âñòðîåííûì êàíàëîì êàíàë ñóùåñòâóåò è ïðè ÅÇÈ = 0. Äëÿ óìåíüøåíèÿ òîêà ñòîêà íåîáõîäèìî íà çàòâîð òðàíçèñòîðà ïîäàòü çàïèðàþùåå íàïðÿæåíèå.  ýòîì ñëó÷àå ìåæäó íèì è n-îáëàñòÿìè îáðàçóåòñÿ îòòàëêèâàþùåå ïîëå, ýëåêòðîíû íà÷èíàþò óõîäèòü èç îáëàñòè êàíàëà, îí ñóæàåòñÿ, òîê ñòîêà óìåíüøàåòñÿ è ïðåêðàùàåòñÿ (ãðàôèê 2 íà ðèñ. 3.25,á).  îñòàëüíîì ðàáîòà ýòîãî è ðàññìîòðåííûõ ðàíåå òðàíçèñòîðîâ ñîâïàäàåò. Èçîëèðîâàííîñòü çàòâîðà ïðèâîäèò ê åùå áîëüøåìó óâåëè÷åíèþ âõîäíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ òðàíçèñòîðà, òàê êàê â íåì òîê óòå÷êè äèýëåêòðèêà ìåíüøå, ÷åì â ðn-ïåðåõîäå, ñìåùåííîì â îáðàòíîì íàïðàâëåíèè.  óñëîâíûõ ãðàôè÷åñêèõ îáîçíà÷åíèÿõ âñòðîåííûé êàíàë èçîáðàæàåòñÿ ñïëîøíîé ëèíèåé, è òîëüêî ýòèì îáîçíà÷åíèå òðàíçèñòîðà ñî âñòðîåííûì êàíàëîì îòëè÷àåòñÿ îò ïðèâåäåííîãî íà ðèñ. 3.25. Êàê óæå óêàçûâàëîñü, îñíîâíûì äîñòîèíñòâîì ïîëåâûõ òðàíçèñòîðîâ ïî ñðàâíåíèþ ñ áèïîëÿðíûìè ÿâëÿåòñÿ âûñîêîå âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå, ïðåâûøàþùåå 1 ÌÎì, à îñíîâíûì íåäîñòàòêîì áîëüøîå îñòàòî÷íîå íàïðÿæåíèå íà ïîëíîñòüþ îòêðûòîì òðàíçèñòîðå. Ïîýòîìó ïîÿâèëèñü è ïðîäîëæàþò ðàçâèâàòüñÿ ïîëóïðîâîäíèêîâûå ïðèáîðû, ñî÷åòàþùèå äîñòîèíñòâà ïîëåâûõ (âûñîêîå âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå) è áèïîëÿðíûõ (ìàëîå îñòàòî÷íîå íàïðÿæåíèå) òðàíçèñòîðîâ. Îíè ïîëó÷èëè íàçâàíèå: áèïîëÿðíûé òðàíçèñòîð ñ èçîëèðîâàííûì çàòâîðîì (ÁÒÈÇ), èëè â àíãëîÿçû÷íîì âàðèàíòå IGBT Insulated Gate Bipolar Transistors. Óñëîâíîå îáîçíà÷åíèå òàêîãî òðàíçèñòîðà è åãî ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà ïðèâåäåíû ñîîòâåòñòâåííî íà ðèñ. 3.26,à è á. Èç ðàññìîòðåíèÿ ýêâèâàëåíòíîé ñõåìû âèäíî, ÷òî òàêèå òðàíçèñòîðû ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé êàñêàäíîå ñîåäèíåíèå ïîëåâîãî è áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðîâ. Èõ ñî÷åòàíèå ïðèâåëî ê òîìó, ÷òî âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå ÁÒÈÇ ïðåâûøàåò 1 ÌÎì, à íàïðÿæåíèå íà ïîëíîñòüþ îòêðûòîì òðàíçèñòîðå äàæå ïðè à
á
Ðèñ. 3.26
76
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
òîêàõ ñîñòàâëÿþùèõ ïîðÿäêà 1000 À, òàê æå êàê è ó áèïîëÿðíûõ òðàíçèñòîðîâ, íàõîäèòñÿ â äèàïàçîíå 1,53,5 Â. Ýòî çíà÷èòåëüíî ìåíüøå, ÷åì ó ëó÷øèõ ìàðîê ïîëåâûõ òðàíçèñòîðîâ ïðè òåõ æå òîêàõ. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Êàêîâ ïðèíöèï ðàáîòû ïîëåâîãî òðàíçèñòîðà ñ óïðàâëÿþùèì pnïåðåõîäîì. 2. Íàðèñóéòå âèä ñòîêî-çàòâîðíûõ è ñòîêîâûõ õàðàêòåðèñòèê òðàíçèñòîðà. Ðàññêàæèòå î ïðîöåññàõ, îáúÿñíÿþùèõ õîä ãðàôèêîâ. 3. Êàêèìè ïàðàìåòðàìè õàðàêòåðèçóþòñÿ ïîëåâûå òðàíçèñòîðû? 4. Ðàññêàæèòå îá îñîáåííîñòÿõ ðàáîòû ïîëåâîãî òðàíçèñòîðà ñ èíäóöèðîâàííûì êàíàëîì. 5. ×åì ðàçëè÷àåòñÿ ðàáîòà ïîëåâûõ òðàíçèñòîðîâ ñ èíäóöèðîâàííûì è âñòðîåííûì êàíàëàìè? 6. Êàêèå òðàíçèñòîðû íàçûâàþòñÿ ÁÒÈÇ?  ÷åì èõ îòëè÷èå îò ïîëåâûõ òðàíçèñòîðîâ?
3.3. ÎÏÅÐÀÖÈÎÍÍÛÉ ÓÑÈËÈÒÅËÜ Â íàñòîÿùåå âðåìÿ â êà÷åñòâå àêòèâíûõ ýëåìåíòîâ èñïîëüçóþòñÿ íå òîëüêî ýëåêòðîííûå ëàìïû, òðàíçèñòîðû, íî è ôóíêöèîíàëüíî çàêîí÷åííûå ñëîæíûå ýëåêòðîííûå óñòðîéñòâà, âûïóñêàåìûå, êàê ïðàâèëî, â âèäå ìèêðîñõåì. Ðàçðàáîò÷èêàìè îíè ðàññìàòðèâàþòñÿ êàê åäèíûé ýëåìåíò, îáëàäàþùèé îïðåäåëåííûìè õàðàêòåðèñòèêàìè è ïàðàìåòðàìè. Ñàìûì ðàñïðîñòðàíåííûì èç íèõ ÿâëÿåòñÿ îïåðàöèîííûé óñèëèòåëü. Îïåðàöèîííûé óñèëèòåëü (ÎÓ) ýòî ìíîãîêàñêàäíûé ýëåêòðîííûé óñèëèòåëü, õàðàêòåðíûå îñîáåííîñòè êîòîðîãî áîëüøîé êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ, â ïðåäåëå ñòðåìÿùèéñÿ ê áåñêîíå÷íîñòè; áîëüøîå âõîäíîå è ìàëîå âûõîäíîå ñîïðîòèâëåíèÿ; íóëåâàÿ íèæíÿÿ ãðàíè÷íàÿ ÷àñòîòà (wÃÐÍ = 0) îí óñèëèâàåò è ïîñòîÿííîå íàïðÿæåíèå; íèçêèé êîýôôèöèåíò øóìà è ò. ä. Îïåðàöèîííûìè òàêèå óñèëèòåëè íàçûâàþòñÿ ïîòîìó, ÷òî ïåðâîíà÷àëüíî ñ èõ ïîìîùüþ íàä àíàëîãîâûìè ýëåêòðè÷åñêèìè ñèãíàëàìè âûïîëíÿëèñü ðàçëè÷íûå ìàòåìàòè÷åñêèå îïåðàöèè: ñëîæåíèå, âû÷èòàíèå, èíòåãðèðîâàíèå, äèôôåðåíöèðîâàíèå, ëîãàðèôìèðîâàíèå, àíòèëîãàðèôìèðîâàíèå.  íàñòîÿùåå âðåìÿ îíè â îñíîâíîì èñïîëüçóþòñÿ êàê ïðåäâàðèòåëüíûå óñèëèòåëè. Âñå ÎÓ èìåþò ïî äâà âõîäà: èíâåðòèðóþùèé (íà ñõåìàõ îáîçíà÷àåìûé çíàêîì «» èëè êðóæî÷êîì, ðèñ. 3.27) è íåèíâåðòèðóþùèé (îáîçíà÷àåìûé «+» èëè íå îáîçíà÷àåìûé).
ÃËÀÂÀ 3. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÏÐÈÁÎÐÛ È ÊÎÌÏÎÍÅÍÒÛ
77
Èíâåðòèðóþùèì íàçûâàåòñÿ âõîä, ïîäà÷à ñèãíàëà íà êîòîðûé ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ íà âûõîäå óñèëèòåëÿ êîëåáàíèÿ, ïðîòèâîôàçíîãî âõîäíîìó. Âõîä, ñèãíàë ñ êîòîðîãî ïðîõîäèò íà âûõîä áåç èçìåíåíèÿ ôàçû, íàçûâàåòñÿ íåèíâåðòèðóþùèì. Ðèñ. 3.27 Íàëè÷èå òàêèõ âõîäîâ ïîçâîëÿåò ñðàâíèâàòü ìåæäó ñîáîé ïîäàâàåìûå íà íèõ ñèãíàëû, âû÷èòàòü è óñèëèâàòü ïîëó÷åííóþ ðàçíîñòü. Ýòè âõîäû è èñïîëüçóþùèé èõ óñèëèòåëü íàçûâàþòñÿ äèôôåðåíöèàëüíûìè, ïîýòîìó â ïàðàìåòðàõ ÎÓ, îòíîñÿùèõñÿ ê ñèãíàëàì, äåéñòâóþùèì ìåæäó ýòèìè âõîäàìè, ïðèìåíÿþò òåðìèí «äèôôåðåíöèàëüíûé»: äèôôåðåíöèàëüíûé êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ ïî íàïðÿæåíèþ (KÄ = UÂÛÕ/UÂÕ Ä) ðèñ. 3.27; äèôôåðåíöèàëüíîå âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå (RÂÕ Ä = UÂÕ Ä/IÂÕ Ä) è ò. ä. Íî ñèãíàëû íà âõîäû ÎÓ ïîäàþòñÿ îáû÷íî îòíîñèòåëüíî îáùåãî ïðîâîäà («çåìëè»), è íà èõ ñîåäèíèòåëüíûå ïðîâîäà ìîãóò îäíîâðåìåííî íàâîäèòüñÿ îäèíàêîâûå íàïðÿæåíèÿ, íàçûâàåìûå ñèíôàçíûìè. Ïîä äåéñòâèåì èõ ìîãóò ïðîòåêàòü âõîäíûå òîêè, à íåèäåàëüíîñòü äèôôåðåíöèàëüíîãî êàñêàäà ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ. Ïîýòîìó ÎÓ õàðàêòåðèçóþò è ïàðàìåòðàìè, ñâÿçàííûìè ñ ñèíôàçíûìè ñèãíàëàìè: ñèíôàçíûì âõîäíûì ñîïðîòèâëåíèåì (RÂÕ ÑÔ = UÂÕ ÑÔ/IÂÕ ÑÔ), îïðåäåëÿåìûì êàê ñîïðîòèâëåíèå ìåæäó îáúåäèíåííûìè âõîäíûìè çàæèìàìè ÎÓ è îáùèì ïðîâîäîì («çåìëåé»); êîýôôèöèåíòîì îñëàáëåíèÿ ñèíôàçíîãî ñèãíàëà KÎÑË ÑÔ = KÄ/KÑÔ, ïîêàçûâàþùèì âî ñêîëüêî ðàç äèôôåðåíöèàëüíûé êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ áîëüøå ñèíôàçíîãî êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ KÑÔ = UÂÛÕ/UÂÕ ÑÔ. Åñëè ñèãíàë ïîäàåòñÿ òîëüêî íà îäèí èç âõîäîâ, òî âòîðîé äîëæåí áûòü ñîåäèíåí ñ ïðîâîäîì, ïî îòíîøåíèþ ê êîòîðîìó ïîäàåòñÿ êîëåáàíèå. Êàê ïðàâèëî, ýòî îáùèé ïðîâîä èëè «çåìëÿ». Óñèëèòåëü, â êîòîðîì ñèãíàë ïîäàåòñÿ íà èíâåðòèðóþùèé âõîä, à íåèíâåðòèðóþùèé ñîåäèíåí ñ «çåìëåé», íàçûâàåòñÿ èíâåðòèðóþùèì (ñì. ðèñ. 3.28,à); åñëè íàîáîðîò íåèíâåðòèðóþùèì (ðèñ. 3.28,á). Íàéäåì èõ êîýôôèöèåíòû ïåðåäà÷è. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî ÎÓ èäåàëüíûé, òî åñòü KÄ ® ¥ è RÂÕ Ä ® ® ¥. Âûõîäíîå íàïðÿæåíèå óñèëèòåëÿ íå ìîæåò ïðåâûøàòü
78 à
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
á
Ðèñ. 3.28
íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ, òî åñòü íå áåñêîíå÷íî, ïîýòîìó ïðè KÄ ® ¥ âõîäíîå íàïðÿæåíèå UÂÕ Ä ® 0, òî åñòü ïðåíåáðåæèìî ìàëî.  ýòîì ñëó÷àå íàïðÿæåíèå íà R1 ðàâíî UÂÕ, à íà R2 ðàâíî UÂÛÕ. Ïðè RÂÕ Ä ® ¥ âõîäíîé òîê ÎÓ ïðåíåáðåæèìî ìàë (IÂÕ Ä = UÂÕ Ä/RÂÕ Ä ® 0), à òîê, ïðîòåêàþùèé ÷åðåç R1, ïðîòåêàåò è ÷åðåç R2. Ïîñëåäíåå îçíà÷àåò, ÷òî íàïðÿæåíèÿ UÂÕ è UÂÛÕ ïðîòèâîôàçíû, òàê êàê â ïåðâîì ñëó÷àå òîê òå÷åò îò UÂÕ, à âî âòîðîì ê UÂÛÕ (ðèñ. 3.28,à). Òîê ÷åðåç R1 ðàâåí IR1 = UÂÕ/R1, à ÷åðåç R2 ñîñòàâèò IR2 = UÂÛÕ/R2. Îíè ðàâíû ìåæäó ñîáîé, òî åñòü IR1 = IR2, òàê êàê âõîäíûì òîêîì ÎÓ ïðåíåáðåãàåì (IÂÕ Ä = 0), òîãäà UÂÕ/R1 = = UÂÛÕ/R2, îòêóäà êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ ïî íàïðÿæåíèþ èíâåðòèðóþùåãî óñèëèòåëÿ: K = UÂÛÕ/UÂÕ = R2/R1.
(3.1)
Äëÿ íåèíâåðòèðóþùåãî óñèëèòåëÿ (ðèñ. 3.28,á) óæå íåëüçÿ ñêàçàòü, ÷òî ïîòåíöèàë èíâåðòèðóþùåãî âõîäà ïî îòíîøåíèþ ê îáùåìó ïðîâîäó, òî åñòü «çåìëå», ðàâåí íóëþ. Çäåñü ìåæäó íèìè âêëþ÷åí ðåçèñòîð R1, íàïðÿæåíèå íà êîòîðîì (ó÷èòûâàÿ, ÷òî UÂÕ Ä » 0) ðàâíî âõîäíîìó. Âõîäíîé è âûõîäíîé ñèãíàëû ñèíôàçíû, ïîýòîìó IR2 = UÂÛÕ/(R1 + R2), IR1 = UÂÕ/R1, IR2 = IR1 è K = UÂÛÕ/UÂÕ = (R2 + R1)/R1 = 1 + R2/R1.
(3.2)
Î÷åíü ÷àñòî ÎÓ èñïîëüçóþò â êà÷åñòâå óñèëèòåëÿ çâóêîâûõ èëè áîëåå âûñîêèõ ÷àñòîò.  ýòîì ñëó÷àå ìîãóò áûòü ïðèìåíåíû äâå îòðèöàòåëüíûå îáðàòíûå ñâÿçè (ãëàâà 6). Îäíà äëÿ ðàáî÷èõ ÷àñòîò, äðóãàÿ äëÿ ïîñòîÿííîãî òîêà, ñ ïîìîùüþ êîòîðûõ ñòàáèëèçèðóþò ïàðàìåòðû óñèëèòåëÿ â èñõîäíîì ñîñòîÿíèè (ðàáî÷åé òî÷êå). Áîëüøàÿ ãëóáèíà ââîäèìîé
ÃËÀÂÀ 3. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÏÐÈÁÎÐÛ È ÊÎÌÏÎÍÅÍÒÛ
79
îáðàòíîé ñâÿçè ïðèâîäèò ê âîçìîæíîñòè ñàìîâîçáóæäåíèÿ óñèëèòåëÿ (ãëàâà 7), ïîýòîìó äëÿ óñòîé÷èâîé ðàáîòû ïðèìåíÿþò ÷àñòîòíî-ôàçîâóþ êîððåêöèþ, ââîäèìóþ ñ ïîìîùüþ öåïåé, ñîñòîÿùèõ èç êîíäåíñàòîðîâ è ðåçèñòîðîâ, ïîäêëþ÷àåìûõ ê ñïåöèàëüíûì âûâîäàì ìèêðîñõåìû ÎÓ. Âåëè÷èíû ýòèõ ýëåìåíòîâ è ïîðÿäîê èõ ïîäêëþ÷åíèÿ äëÿ ðàçëè÷íûõ òèïîâ ÎÓ ðàçëè÷åí è ïðèâîäèòñÿ â ñîîòâåòñòâóþùèõ ñïðàâî÷íèêàõ. Ïðèâîäèìûå òàì íîìèíàëû ñîîòâåòñòâóþò óêàçàííîìó êîýôôèöèåíòó óñèëåíèÿ óñèëèòåëÿ K è îáåñïå÷èâàþò â ýòîì ñëó÷àå ìàêñèìàëüíóþ ïîëîñó ïðîïóñêàíèÿ. Ïðè âûáîðå äðóãîãî K ýòè æå íîìèíàëû ìîãóò óæå íå îáåñïå÷èâàòü óñòîé÷èâîé ðàáîòû óñèëèòåëÿ è èõ ñëåäóåò èçìåíèòü. Êàê ïðàâèëî, óâåëè÷åíèå åìêîñòè êîððåêòèðóþùåé öåïè ïðèâîäèò ê ñóæåíèþ ïîëîñû ïðîïóñêàíèÿ óñèëèòåëÿ. Ó íåêîòîðûõ ÎÓ öåïè êîððåêöèè óñòàíîâëåíû â ìèêðîñõåìå ïðè åå ïðîèçâîäñòâå, òàêèå óñèëèòåëè íàçûâàþòñÿ ÎÓ ñ âíóòðåííåé êîððåêöèåé.  ðåàëüíûõ óñèëèòåëÿõ KÄ ¹ ¥ è RÂÕ Ä ¹ ¥. Îäíàêî ýòî ñëàáî ñêàçûâàåòñÿ íà çíà÷åíèÿõ K, ïîëó÷åííûõ ïî (3.1) è (3.2), è ïðè ïðàêòè÷åñêèõ ðàñ÷åòàõ ïîëüçóþòñÿ èìè. Ïðè ýêñïëóàòàöèè ÎÓ èç-çà âîçìîæíîé òåìïåðàòóðíîé è âðåìåííîé íåñòàáèëüíîñòè âîçðàñòàíèå IÂÕ Ä ïðèâîäèò ê èçìåíåíèþ ðåæèìîâ ÎÓ ïî ïîñòîÿííîìó òîêó è ñìåùåíèþ åãî ðàáî÷åé òî÷êè. Äëÿ åå óìåíüøåíèÿ âûâîä íåèíâåðòèðóþùåãî âõîäà ñîåäèíÿþò ñ îáùèì ïðîâîäîì ÷åðåç ðåçèñòîð, êîìïåíñèðóþùèé ýòè èçìåíåíèÿ (RÊÎÌ íà ðèñ. 3.29,à), âåëè÷èíà êîòîðîãî ðàññ÷èòûâàåòñÿ ïî ôîðìóëå RÊÎÌ = R1R2/(R1 + R2). Ïèòàíèå ÎÓ îáû÷íî îñóùåñòâëÿþò îò äâóïîëÿðíîãî èñòî÷íèêà, ñðåäíèé âûâîä êîòîðîãî ñîåäèíÿþò ñ îáùèì ïðîâîäîì («çåìëåé») ðèñ. 3.29,à. Îäíàêî èíîãäà, ïðè ïèòàíèè îñòàëüíîé à
á
Ðèñ. 3.29
80
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
÷àñòè óñòðîéñòâà îò îäíîïîëÿðíîãî èñòî÷íèêà, ýòî ñòàíîâèòñÿ íåóäîáíûì è ñðåäíþþ òî÷êó â îäíîïîëÿðíîì èñòî÷íèêå, èñïîëüçóåìóþ â êà÷åñòâå îáùåé, ñîçäàþò èñêóññòâåííî ëèáî áëîêèðóÿ ÅÏ ïîñëåäîâàòåëüíî ñîåäèíåííûìè ñòàáèëèòðîíàìè (èëè êîíäåíñàòîðàìè áîëüøîé åìêîñòè) è èñïîëüçóÿ òî÷êó èõ ñîåäèíåíèÿ â êà÷åñòâå ñðåäíåé, ëèáî äâóïîëÿðíîñòü ïèòàíèÿ ìèêðîñõåìû èìèòèðóþò, ââîäÿ íà âõîäå ðåçèñòîðíûé äåëèòåëü (íà ðèñ. 3,29,á ýòî R3 = R4).  ýòîì ñëó÷àå âî âõîäíîì è âûõîäíîì íàïðÿæåíèÿõ äîëæíà ïðèñóòñòâîâàòü ïîñòîÿííàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ, ðàâíàÿ ÅÏ/2. Ýòî íå âñåãäà óäîáíî è äëÿ óñèëèòåëåé ýëåêòðè÷åñêèõ êîëåáàíèé ñ wÃÐÍ ¹ 0 ìîæåò áûòü ëåãêî óñòðàíåíî ââåäåíèåì ðàçäåëèòåëüíûõ êîíäåíñàòîðîâ: ÑÐ íà âõîäå è Ñ íà âûõîäå (ðèñ. 3.29,á). Äëÿ óìåíüøåíèÿ ïîòåðü âõîäíîãî ñèãíàëà ðåçèñòîð R4 áëîêèðóþò êîíäåíñàòîðîì ÑÁË. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. ×òî òàêîå îïåðàöèîííûé óñèëèòåëü? 2. ×òî íàçûâàåòñÿ èíâåðòèðóþùèì è íåèíâåðòèðóþùèì âõîäàìè? 3. Âûâåäèòå ôîðìóëû ðàñ÷åòà êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ èíâåðòèðóþùåãî è íåèíâåðòèðóþùåãî óñèëèòåëåé. 4. Êàêèå óñëîæíåíèÿ ââîäÿò â ðåàëüíóþ ñõåìó ïðè ïðàêòè÷åñêîé ðåàëèçàöèè óñòðîéñòâ íà ÎÓ?
3.4. ÆÈÄÊÎÊÐÈÑÒÀËËÈ×ÅÑÊÈÅ ÈÍÄÈÊÀÒÎÐÛ Ñòðåìëåíèå ïîëó÷èòü ìàêñèìàëüíî ïëîñêèå, êîìïàêòíûå, ýêîíîìè÷íûå óñòðîéñòâà ïðèâåëî ê èñïîëüçîâàíèþ â êà÷åñòâå èõ èíäèêàòîðîâ âåùåñòâà, ñî÷åòàþùèå äîñòîèíñòâà æèäêîñòåé è êðèñòàëëîâ. Õàðàêòåðíîé îñîáåííîñòüþ êðèñòàëëîâ, îòëè÷àþùèõ èõ îò äðóãèõ òâåðäûõ òåë, ÿâëÿåòñÿ àíèçîòðîïèÿ èçìåíåíèå ñâîéñòâ âåùåñòâà â çàâèñèìîñòè îò ïðîñòðàíñòâåííîãî íàïðàâëåíèÿ âîçäåéñòâèÿ íà êðèñòàëëè÷åñêóþ ðåøåòêó.  îïòè÷åñêèõ èíäèêàòîðàõ èñïîëüçóþòñÿ ìàòåðèàëû, èçìåíÿþùèå ïîä âîçäåéñòâèåì ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ ñâîè îïòè÷åñêèå ñâîéñòâà: ïðîçðà÷íîñòü, öâåòíîñòü, ñïîñîáíîñòü âðàùåíèÿ ïëîñêîñòè ïîëÿðèçàöèè ïðîõîäÿùåãî ñâåòà. Òåêó÷åñòü, ïðèñóùàÿ æèäêîñòÿì, ïîçâîëÿåò óïðîñòèòü ïðîöåññ ïðîèçâîäñòâà èíäèêàòîðîâ, îáåñïå÷èâàÿ âîçìîæíîñòü ñîçäàíèÿ èõ ïðîèçâîëüíîé ôîðìû.
ÃËÀÂÀ 3. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÏÐÈÁÎÐÛ È ÊÎÌÏÎÍÅÍÒÛ
81
 íàñòîÿùåå âðåìÿ æèäêîêðèñòàëëè÷åñêèå ìàòåðèàëû èñïîëüçóþòñÿ â ðàçëè÷íûõ îáëàñòÿõ òåõíèêè. Íàïðèìåð, èçìåíåíèå öâåòà ìàòåðèàëà ïîä äåéñòâèåì òåìïåðàòóðû èñïîëüçóåòñÿ â ìåäèöèíñêîé äèàãíîñòèêå (ïðè ñîïðèêîñÐèñ. 3.30 íîâåíèè ñ áîëüíûìè ó÷àñòêàìè òåëà ïàöèåíòà), â äåôåêòîñêîïèè (èçìåíåíèå ðàñïðåäåëåíèÿ òåìïåðàòóðû, à çíà÷èò, è öâåòà èçäåëèÿ, èìåþùåãî âíóòðåííèé äåôåêò). Ïðè ïðîèçâîäñòâå èíäèêàòîðîâ äëÿ ðàäèîýëåêòðîííîé àïïàðàòóðû èñïîëüçóåòñÿ èçìåíåíèå ïëîñêîñòè ïîëÿðèçàöèè ñâåòîâîãî ïîòîêà æèäêîêðèñòàëëè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ, ïðîèñõîäÿùåå ïîä âîçäåéñòâèåì ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ. Òàêèå èíäèêàòîðû ñîñòîÿò èç ýëåêòðîîïòè÷åñêèõ æèäêîêðèñòàëëè÷åñêèõ ÿ÷ååê (ðèñ. 3.30), ñîäåðæàùèõ äâå ïëîñêîïàðàëëåëüíûå ñòåêëÿííûå ïëàñòèíû, ïîêðûòûå íàíåñåííûìè íà íèõ ïðîçðà÷íûìè ýëåêòðîäàìè èç îêèñè îëîâà èëè îêèñè èíäèÿ. Ðàññòîÿíèå ìåæäó ïëàñòèíàìè çàïîëíåíî æèäêèì êðèñòàëëîì, ñîñòàâëÿåò åäèíèöû ìèêðîìåòðà è îïðåäåëÿåò óãîë ïîâîðîòà ïëîñêîñòè ïîëÿðèçàöèè. Ñ íàðóæíîé ñòîðîíû íà êàæäóþ èç ïëàñòèí íàëîæåíû ïîëÿðèçàòîðû ïðîçðà÷íûå ïëåíêè, ïðåâðàùàþùèå åñòåñòâåííûé (íåïîëÿðèçîâàííûé) ñâåò â ëèíåéíî ïîëÿðèçîâàííûé, ðàñïðîñòðàíÿþùèéñÿ òîëüêî â îäíîé ïëîñêîñòè; äëÿ îñòàâøåéñÿ ÷àñòè ñâåòîâîãî ïîòîêà ïîëÿðèçàòîð íåïðîçðà÷åí. Ïëîñêîñòè ïîëÿðèçàöèè âåðõíåãî è íèæíåãî ïîëÿðèçàòîðà ïîâåðíóòû â ãîðèçîíòàëüíîì íàïðàâëåíèè îòíîñèòåëüíî äðóã äðóãà íà 90°, à òîëùèíà ñëîÿ æèäêèõ êðèñòàëëîâ òàêîâà, ÷òî óãîë ïîâîðîòà ïîëÿðèçàöèè ñâåòà, ïðîõîäÿùåãî ÷åðåç íèõ, òàêæå ñîñòàâëÿåò 90°. Ïðè îòñóòñòâèè ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ ïàäàþùèé íà èíäèêàòîð ñâåò áåñïðåïÿòñòâåííî ïðîõîäèò ñ îäíîé ñòîðîíû ïëàñòèíû íà äðóãóþ, òî åñòü îíà ÿâëÿåòñÿ ïðîçðà÷íîé. Ïðè ïîäà÷å íà ýëåêòðîäû ýëåêòðîîïòè÷åñêîé ÿ÷åéêè íàïðÿæåíèÿ âîçíèêàþùåå ïðè ýòîì ïîëå èçìåíÿåò óãîë ïîëÿðèçàöèè æèäêîêðèñòàëëè÷åñêîãî âåùåñòâà òåïåðü ÷àñòü ïðîõîäÿùåãî ñâåòîâîãî ïîòîêà ïîãëîùàåòñÿ âòîðûì ïîëÿðèçàòîðîì, ÷òî ïðîÿâëÿåòñÿ â èçìåíåíèè ïðîçðà÷íîñòè ÿ÷åéêè. Ïðè óâåëè÷åíèè íàïðÿæåíèÿ ñòåïåíü ïðîçðà÷íîñòè ÿ÷åéêè
82
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
óìåíüøàåòñÿ, âïëîòü äî ïîëíîãî èñ÷åçíîâåíèÿ (ÿ÷åéêà áóäåò êàçàòüñÿ ÷åðíîé); ïðè ñíÿòèè íàïðÿæåíèÿ ïðîçðà÷íîñòü âîññòàíàâëèâàåòñÿ. Æèäêîêðèñòàëëè÷åñêèå èíäèêàòîðû, èñïîëüçóåìûå â ìèêðîêàëüêóëÿòîðàõ, ýëåêòðîííûõ ÷àñàõ è ò. ä. ïåðåîòðàæàþò ñâåò îò âíåøíåãî èñòî÷íèêà, ïîïàäàþùåãî íà èíäèêàòîð. Íèæíèé ýëåêòðîä ó íèõ îáû÷íî äåëàþò ñïëîøíûì, âåðõíèé ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé èëè ñåìü îòäåëüíûõ ñåãìåíòîâ, ñ ïîìîùüþ êîòîðûõ ìîæíî èçîáðàçèòü ëþáóþ öèôðó è áóêâó, èëè âîñïðîèçâîäèò íåñëîæíóþ èíäèöèðóåìóþ ôèãóðó. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ ñëîæíûõ èçîáðàæåíèé, íàïðèìåð, ïðè èñïîëüçîâàíèè â òåëåâèçîðàõ, ìîíèòîðàõ, ïðîåêöèîííûõ àïïàðàòàõ è ò. ä. ýëåêòðîîïòè÷åñêèå ÿ÷åéêè îáúåäèíÿþò â æèäêîêðèñòàëëè÷åñêèå ïàíåëè (êîòîðûå â èíîñòðàííûõ èçäåëèÿõ íàçûâàþò LCD Liquid Crystal Display).  ýòîì ñëó÷àå çà íèìè ïîìåùàþò ýëåêòðè÷åñêóþ ëàìïó, ðàâíîìåðíî îñâåùàþùóþ ïàíåëü, ñâåò êîòîðîé íàáëþäàåò çðèòåëü. Ïàíåëè èñïîëüçóþò ìàòðè÷íóþ ñèñòåìó àäðåñàöèè. Ðàçðåøàþùàÿ ñïîñîáíîñòü òàêîé ïàíåëè îïðåäåëÿåòñÿ ÷èñëîì åå ýëåêòðîîïòè÷åñêèõ ÿ÷ååê. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ öâåòíîãî èçîáðàæåíèÿ ÿ÷åéêè (êàê è â öâåòíûõ êèíåñêîïàõ) îáúåäèíÿþòñÿ â òðèàäû, â êîòîðûõ êàæäàÿ èç íèõ ïîêðûâàåòñÿ ñâîèì ñâåòîôèëüòðîì (êðàñíûì, ñèíèì èëè çåëåíûì). Ê íåäîñòàòêàì ÆÊ-èíäèêàòîðîâ ìîæíî îòíåñòè îãðàíè÷åííûé óãîë îáçîðà, ÷òî ñâÿçàíî ñ íàëè÷èåì ïîëÿðèçàòîðà, è èíåðöèîííîñòü èçìåíåíèÿ ñîñòîÿíèÿ æèäêîêðèñòàëëè÷åñêîãî âåùåñòâà, ÷òî ïðèâîäèò ê çàäåðæêå áûñòðî ìåíÿþùèõñÿ èçîáðàæåíèé. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû 1. ×òî ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ýëåêòðîîïòè÷åñêàÿ æèäêîêðèñòàëëè÷åñêàÿ ÿ÷åéêà? 2. Êàêèå ïðîöåññû ïðîèñõîäÿò â ÿ÷åéêå, èçìåíÿÿ åå ïðîçðà÷íîñòü?
ÃËÀÂÀ ×ÅÒÂÅÐÒÀß
ÈÇÁÈÐÀÒÅËÜÍÛÅ ×ÅÒÛÐÅÕÏÎËÞÑÍÈÊÈ
4.1. ÎÑÍÎÂÍÛÅ ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊÈ
×åòûðåõïîëþñíèêàìè íàçûâàþòñÿ óñòðîéñòâà, èìåþùèå äâà
âõîäíûõ è äâà âûõîäíûõ çàæèìà (ðèñ. 4.1,à).  ðàäèîòåõíèêå î÷åíü ÷àñòî îäèí èç âõîäíûõ è îäèí èç âûõîäíûõ çàæèìîâ ñîåäèíåíû ìåæäó ñîáîé è ïîäêëþ÷åíû ê îáùåìó ïðîâîäó («çåìëå»).  ýòîì ñëó÷àå íà ñõåìå îí âûíîñèòñÿ îòäåëüíî, ïîêàçûâàÿ, ÷òî ïðèíàäëåæèò îáåèì ïàðàì çàæèìîâ (ðèñ. 4.1,á). Åñëè âñå áëîêè óñòðîéñòâà èìåþò òàêèå, îáúåäèíåííûå ìåæäó ñîáîé çàæèìû, òî íà ñõåìå îíè íå ïîêàçûâàþòñÿ, è êàæäûé èç áëîêîâ èìååò ëèøü ïî îäíîìó âûâîäó äëÿ âõîäà, è îäíîìó äëÿ âûõîäà (ðèñ. 4.1,â). ×åòûðåõïîëþñíèêè ñ ÿðêî âûðàæåííûìè èçáèðàòåëüíûìè ñâîéñòâàìè íàçûâàþòñÿ ýëåêòðè÷åñêèìè ôèëüòðàìè.  íèõ â ïîëîñå ÷àñòîò, íàçûâàåìîé ïîëîñîé ïðîïóñêàíèÿ (ïðîçðà÷íîñòè), êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è äîñòèãàåò ìàêñèìàëüíîãî à
á
â
Ðèñ. 4.1
çíà÷åíèÿ.  îñòàëüíîé îáëàñòè ÷àñòîò ïîëîñå çàäåðæàíèÿ (íåïðîïóñêàíèÿ) êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è ñòðåìèòñÿ ê íóëþ. Ðàçëè÷àþò ôèëüòðû íèæíèõ ÷àñòîò ÔÍ×, âåðõíèõ ÔÂ×, ïîëîñîâûå ÏÔ è çàãðàæäàþùèå (ðåæåêòîðíûå) ôèëüòðû ÇÔ (ñì. ðèñ. 4.2). Ýëåêòðè÷åñêèå ôèëüòðû õàðàêòåðèçóþòñÿ íåñêîëüêèìè òåõíè÷åñêèìè ïàðàìåòðàìè. Èõ àìïëèòóäíî-÷àñòîòíûå (èëè êðàòêî ÷àñòîòíûå) õàðàêòåðèñòèêè (À×Õ) çàâèñèìîñòü
84
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
Ðèñ. 4.2
ìîäóëÿ êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è |K(jw)| îò òåêóùåé ÷àñòîòû w, ñîîòâåòñòâóþùèå èäåàëüíûì ôèëüòðàì, è óñëîâíûå ãðàôè÷åñêèå îáîçíà÷åíèÿ ôèëüòðîâ ïðèâåäåíû íà ðèñ. 4.2. Çäåñü çíàêîì (~) ïîêàçàíû îáëàñòè ïðîïóñêàåìûõ ÷àñòîò. Îáû÷íî èíòåðåñóþòñÿ ñòåïåíüþ ïîäàâëåíèÿ ôèëüòðîì ÷àñòîò â ïîëîñå çàäåðæàíèÿ, îöåíèâàÿ åå ïî ñïàäó êîýôôèöèåíòà K = |K(jw)|, ëèáî ââîäÿ êîýôôèöèåíò çàòóõàíèÿ à = 1/|K(jw)|. Äëÿ ýòîé öåëè íàèáîëåå ÷àñòî ïîëüçóþòñÿ ëîãàðèôìè÷åñêèì ãðàôèêîì À×Õ (ËÀ×Õ), ïðèìåíÿÿ äëÿ ðàñ÷åòà äåñÿòè÷íûé ëîãàðèôì. Òîãäà ËÀ×Õ ìîæåò áûòü ðàññ÷èòàíà ïî ôîðìóëå: K, äÁ = = 20 lg |K(jw)|, åäèíèöåé èçìåðåíèÿ íàêëîíà êîòîðîé ÿâëÿåòñÿ äåöèáåë íà äåêàäó (äåêàäà èçìåíåíèå ÷àñòîòû â 10 ðàç). Ïðè ðàññìîòðåíèè ÷åòûðåõïîëþñíèêîâ, êðîìå À×Õ, èñïîëüçóþò ïîíÿòèÿ: ôàçî÷àñòîòíàÿ (Ô×Õ) èëè ôàçîâàÿ õàðàêòåðèñòèêà j(w) çàâèñèìîñòü ôàçîâîãî ñäâèãà, âíîñèìîãî ÷åòûðåõïîëþñíèêîì, îò ÷àñòîòû; ïîëîñà ïðîïóñêàíèÿ (Ï) îáëàñòü ÷àñòîò, íà ãðàíèöå êîòîðîé ìîäóëü êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è ìåíüøå íîìèíàëüíîãî â 1 ðàç (ýòî ñîîòâåòñòâóåò óðîâíþ 0,707 îò ìàêñèìàëüíîãî, ïðè ýòîì ìîùíîñòü âûõîäíîãî êîëåáàíèÿ óìåíüøàåòñÿ â 2 ðàçà), ëåâàÿ íà îñè ÷àñòîò òàêàÿ îòìåòêà íàçûâàåòñÿ íèæíåé ãðàíè÷íîé ÷àñòîòîé (wÃÐ Í), ïðàâàÿ âåðõíåé (wÃÐ Â); ðåçîíàíñíàÿ ÷àñòîòà 11 2 23 12 4 ÷àñòîòà, íà êîòîðîé ýíåðãèè, çàïàñàåìûå â ðåàêòèâíûõ ýëåìåíòàõ êîëåáàòåëüíîãî êîíòóðà (L è Ñ), ðàâíû ìåæäó ñîáîé, à íàïðÿæåíèÿ íà ýòèõ ýëåìåíòàõ äîñòèãàþò îäèíàêîâûõ íàèáîëüøèõ çíà÷åíèé; ðàññòðîéêà x = (w w0)/w0 âåëè÷èíà, ïîêàçûâàþùàÿ ñòåïåíü îòëè÷èÿ òåêóùåé ÷àñòîòû îò ðåçîíàíñíîé; âîëíîâîå (õàðàêòåðèñòè÷åñêîå) ñîïðîòèâëåíèå êîíòóðà (r) ñîïðîòèâëåíèå ëþáîãî åãî ðåàêòèâíîãî ýëåìåíòà íà ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòå r = w0L = 1/w0Ñ; äîáðîòíîñòü (Q) ñ òî÷íîñòüþ äî 2p ïîêàçûâàåò âî ñêîëüêî ðàç ýíåðãèÿ, çàïàñàåìàÿ â ðåàêòèâíûõ ýëåìåíòàõ êîíòóðà, áîëüøå ýíåðãèè
ÃËÀÂÀ 4. ÈÇÁÈÐÀÒÅËÜÍÛÅ ×ÅÒÛÐÅÕÏÎËÞÑÍÈÊÈ
85
ïîòåðü â íåì çà òîò æå ïðîìåæóòîê âðåìåíè Q = 2pWÇÀÏ/WÏÎÒ. Åå ÷èñëåííîå çíà÷åíèå ìîæåò áûòü ðàññ÷èòàíî ïî ôîðìóëå: Q = r/r, ãäå r ñîïðîòèâëåíèå, îïðåäåëÿþùåå ïîòåðè â ýëåìåíòàõ êîíòóðà (íàïðèìåð, ñîïðîòèâëåíèå ïðîâîäà, êîòîðûì íàìîòàíà êàòóøêà). Ðàçëè÷àþò ñîáñòâåííóþ è ýêâèâàëåíòíóþ (QÝÊÂ) äîáðîòíîñòè. Ïîñëåäíÿÿ ó÷èòûâàåò íàëè÷èå âíåøíèõ ïî îòíîøåíèþ ê êîíòóðó ïîòåðü (íàïðèìåð, ïîäêëþ÷åíèå äîïîëíèòåëüíûõ ðåçèñòîðîâ). Íàèáîëåå ÷àñòî â ôèëüòðàõ èñïîëüçóþò ðåàêòèâíûå (êîíäåíñàòîðû Ñ è êàòóøêè èíäóêòèâíîñòè L) è ðåçèñòèâíûå (R) ýëåìåíòû, êîòîðûå îòðàæàþò â íàçâàíèè ôèëüòðîâ: LÑ-ôèëüòð, RÑ-ôèëüòð, LR-ôèëüòð. Îáëàñòè èõ ïðèìåíåíèÿ îïðåäåëÿþòñÿ êîíñòðóêòèâíûìè îñîáåííîñòÿìè è ïðàêòè÷åñêîé öåëåñîîáðàçíîñòüþ. Íàïðèìåð, êàòóøêè èíäóêòèâíîñòè õàðàêòåðèçóþòñÿ ìàëûìè ñîáñòâåííûìè ïîòåðÿìè, îáóñëîâëåííûìè ëèøü ñîïðîòèâëåíèåì ìåäíîãî ïðîâîäà, ÷òî óëó÷øàåò ôèëüòðóþùèå ñâîéñòâà èñïîëüçóåìûõ ÷åòûðåõïîëþñíèêîâ. Îäíàêî äëÿ íèçêèõ ÷àñòîò òðåáóåìûå âåëè÷èíû èíäóêòèâíîñòè, à çíà÷èò, è ãàáàðèòû êàòóøåê âîçðàñòàþò äî íåäîïóñòèìî áîëüøèõ ðàçìåðîâ, ïîýòîìó âìåñòî íèõ ïðèìåíÿþò ðåçèñòîðû, ñîçíàòåëüíî èäÿ íà óâåëè÷åíèå ïîòåðü.  íàñòîÿùåå âðåìÿ â ÔÍ× ÷àñòî èñïîëüçóþòñÿ RÑ- è ÀRÑ-ôèëüòðû (àêòèâíûå RÑ-ôèëüòðû). Âàðèàíòû ïîñòðîåíèÿ ôèëüòðîâ ðàçíîîáðàçíû, ìû ðàññìîòðèì ëèøü ïðîñòåéøèå èç íèõ. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. 2. 3. 4. 5.
×òî íàçûâàåòñÿ ÷åòûðåõïîëþñíèêîì? ×òî íàçûâàåòñÿ ýëåêòðè÷åñêèì ôèëüòðîì? ×òî òàêîå ËÀ×Õ è ÷åì îíà õàðàêòåðèçóåòñÿ? Êàêèå âèäû ôèëüòðîâ âû çíàåòå? Êàêîâ âèä èõ À×Õ? Êàêèìè îñíîâíûìè ïîíÿòèÿìè ïîëüçóþòñÿ ïðè îöåíêå èçáèðàòåëüíûõ ñâîéñòâ ôèëüòðîâ?
4.2. ÔÈËÜÒÐÛ ÍÈÆÍÈÕ ×ÀÑÒÎÒ Ôèëüòðàìè íèæíèõ ÷àñòîò (ÔÍ×) íàçûâàþòñÿ óñòðîéñòâà, êîòîðûå ìèíèìàëüíî îñëàáëÿþò êîëåáàíèÿ ñ ÷àñòîòàìè îò 0 äî wÃÐ Â è çàäåðæèâàþò (ïåðåäàþò ñ áîëüøèì îñëàáëåíèåì) êîëåáàíèÿ áîëåå âûñîêèõ ÷àñòîò. Íàèáîëåå ïðîñòî ÔÍ× ðåàëèçóþòñÿ ñ ïîìîùüþ ïîñëåäîâàòåëüíîãî ñîåäèíåíèÿ ðåçèñòîðà
86
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
à
á
Ðèñ. 4.3
è êîíäåíñàòîðà RC-ôèëüòðû (ðèñ. 4.3,à) èëè êàòóøêè èíäóêòèâíîñòè è ðåçèñòîðà RL-ôèëüòðû (ðèñ. 4.3,á). Ðàññìîòðèì ïåðâûé èç íèõ. Îáîçíà÷èì íàïðÿæåíèå, äåéñòâóþùåå íà âõîäå ôèëüòðà ÷åðåç UÂÕ, à íà âûõîäå ÷åðåç UÂÛÕ. Íàïîìíèì, ÷òî ïîä÷åðêèâàíèåì â îáîçíà÷åíèÿõ îòìå÷àåòñÿ êîìïëåêñíûé õàðàêòåð âåëè÷èíû (ðàíåå â ëèòåðàòóðå îí îáîçíà÷àëñÿ òî÷êîé, ïîìåùàåìîé íàä áóêâîé). Òàêàÿ öåïü (ðèñ. 4.3,à) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé RC-äåëèòåëü ïåðåìåííîãî íàïðÿæåíèÿ, è åå êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è â êîìïëåêñíîé ôîðìå: 2 2 13 67 123 4 3 48 129 3 123 3 3 2 13 85 4 67 123 9 2 13 (4.1) 6 6 6 1 1 6
3 3 3 6 4 1253 6 4 12 7 25 6 4 82 7 25 94 Çäåñü:
3 1 14 225 3 3 42 6 22 51
ìîäóëü êîìïëåêñíîãî êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è; j ñèìâîë, ïîêàçûâàþùèé êîìïëåêñíûé õàðàêòåð âåëè÷èíû; w òåêóùàÿ ÷àñòîòà; wÑ = 1/RC ÷àñòîòà ñðåçà, íà êîòîðîé ñîïðîòèâëåíèÿ ýëåìåíòîâ ÿ÷åéêè ôèëüòðà ðàâíû ìåæäó ñîáîé (R = 1/wÑÑ); j = arctg(w/wÑ) òåêóùàÿ ôàçà. Ðàññ÷èòàííàÿ ïî (4.1) çàâèñèìîñòü ìîäóëÿ êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è îò ÷àñòîòû (àìïëèòóäíî-÷àñòîòíàÿ õàðàêòåðèñòèêà) ïðèâåäåíà íà ðèñ. 4.4,à. Èç åå ðàññìîòðåíèÿ âèäíî, ÷òî ñ ïîâûøåíèåì ÷àñòîòû êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è öåïè óìåíüøàåòñÿ. Ïîëó÷åííàÿ õàðàêòåðèñòèêà ïî ôîðìå íàèáîëåå áëèçêà ê À×Õ ôèëüòðà íèæíèõ ÷àñòîò, à, ñëåäîâàòåëüíî, ñàìà öåïü (ðèñ. 4.3,à) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ÔÍ×. Ýòîò æå âèä õàðàêòåðèñòèêè ëåãêî ïðîñëåæèâàåòñÿ è ïðè ðàññìîòðåíèè ðàáîòû öåïè: ïðè ïîâûøåíèè ÷àñòîòû ñîïðîòèâëåíèå êîíäåíñàòîðà Ñ óìåíüøàåòñÿ, ÷òî ïðèâîäèò ê
ÃËÀÂÀ 4. ÈÇÁÈÐÀÒÅËÜÍÛÅ ×ÅÒÛÐÅÕÏÎËÞÑÍÈÊÈ
à
87
á
Ðèñ. 4.4
óìåíüøåíèþ îáùåãî ñîïðîòèâëåíèÿ öåïè, âîçðàñòàíèþ òîêà ÷åðåç íåå, óâåëè÷åíèþ íàïðÿæåíèÿ íà ðåçèñòîðå, à çíà÷èò óìåíüøåíèþ íà êîíäåíñàòîðå. Äëÿ îïðåäåëåíèÿ âåðõíåé ãðàíè÷íîé ÷àñòîòû ïîëîñû ïðîïóñêàíèÿ ôèëüòðà (wÃÐ Â) âñïîìíèì, ÷òî íà íåé ìîäóëü êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è ôèëüòðà äîëæåí áûòü ìåíüøå íîìèíàëüíîãî â 1 ðàç. Òîãäà èç (4.1) ïîëó÷èì, ÷òî 6 1 7223 4 8 25 91 3 1
îòêóäà wÃÐ Â = wÑ. Ëîãàðèôìè÷åñêàÿ àìïëèòóäíî-÷àñòîòíàÿ õàðàêòåðèñòèêà ìîæåò áûòü ðàññ÷èòàíà ïî ôîðìóëå: 1 4 56 1 17 89 1 22 1 17 89
3 1 337 89 753 4 2 22 1 86 4 3 4 2 22 1
à êîýôôèöèåíò çàòóõàíèÿ à = 20 lg [1/|K(jw)|] = 10 lg [1 + + (w/wÑ)2]. Èç èõ ðàññìîòðåíèÿ âèäíî, ÷òî ïðè w/wÑ ? 1 ËÀ×Õ èìååò âèä ãðàôèêà, ñïàäàþùåãî ñî ñêîðîñòüþ 20 äÁ/äåê. Ðàññ÷èòàííàÿ ïî ôîðìóëå j = arctg(w/wÑ) çàâèñèìîñòü ôàçîâîãî ñäâèãà, âíîñèìîãî ôèëüòðîì, îò ÷àñòîòû äàåò åãî ôàçîâóþ õàðàêòåðèñòèêó (Ô×Õ), ïðèâåäåííóþ íà ðèñ. 4.4,á. Èç íåå âèäíî, ÷òî ñ ïîâûøåíèåì ÷àñòîòû ñäâèã ôàç ìåæäó âûõîäíûì è âõîäíûì íàïðÿæåíèÿìè â ïðåäåëå ñòðåìèòñÿ ê 90°. Äåéñòâèòåëüíî, ÷åì ìåíüøå ñîïðîòèâëåíèå êîíäåíñàòîðà (ÕÑ = 1/wÑ), òåì îáùåå ñîïðîòèâëåíèå öåïè èìååò áîëåå ðåçèñòèâíûé õàðàêòåð, à çíà÷èò, ñäâèã ôàç ìåæäó âõîäíûì íàïðÿæåíèåì è òîêîì ñòðåìèòñÿ ê íóëþ. Âûõîäíîå íàïðÿæåíèå ôèëüòðà, ñíèìàåìîå ñ êîíäåíñàòîðà, âñåãäà îòñòàåò îò òîêà ÷åðåç Ñ íà 90°. Åñëè ýòîò òîê (îáùèé òîê öåïè) ñèíôàçåí âõîäíîìó íàïðÿæåíèþ, òî ñäâèã ôàç ìåæäó âûõîäíûì è âõîäíûì íàïðÿæåíèÿìè áóäåò ðàâåí 90°. Êàê óæå óêàçûâàëîñü, ÔÍ× ìîæíî ïîëó÷èòü, èñïîëüçóÿ êàòóøêó èíäóêòèâíîñòè è ðåçèñòîð, ñîåäèíèâ èõ ïî ñõåìå ðèñ. 4.3,á. Çäåñü âûõîäíîå íàïðÿæåíèå ôèëüòðà âûäåëÿåòñÿ íà ðåçèñòîðå R. Äëÿ àíàëèçà ÷àñòîòíîé õàðàêòåðèñòèêè öåïè äîñòàòî÷íî âñïîìíèòü, ÷òî ñîïðîòèâëåíèå êàòóøêè äëÿ
88
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
ïåðåìåííîãî òîêà çàâèñèò îò åãî ÷àñòîòû è ìîæåò áûòü ðàññ÷èòàíî ïî ôîðìóëå: ÕL = wL. Ïðè ìàëûõ çíà÷åíèÿõ ÷àñòîòû (êîãäà w ® 0) ñîïðîòèâëåíèå êàòóøêè ìàëî è âñå íàïðÿæåíèå ñî âõîäà ôèëüòðà ïåðåäàåòñÿ íà åãî âûõîä êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è áëèçîê ê åäèíèöå. Ïðè óâåëè÷åíèè ÷àñòîòû ñîïðîòèâëåíèå êàòóøêè âîçðàñòàåò, óâåëè÷èâàÿ îáùåå ñîïðîòèâëåíèå öåïè. Òîê, ïðîòåêàþùèé ÷åðåç íåå, óìåíüøàåòñÿ, ñíèæàÿ íàïðÿæåíèå, âûäåëÿþùååñÿ íà ðåçèñòîðå, à çíà÷èò, è êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è ôèëüòðà. Òàêèì îáðàçîì, À×Õ öåïè ïîâòîðÿåò àìïëèòóäíî-÷àñòîòíóþ õàðàêòåðèñòèêó ÔÍ× (ðèñ. 4.4,à). Îòûñêàíèå ÷èñëåííûõ çíà÷åíèé êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è öåïè òàêæå ïðèâîäèò ê ôîðìóëå:
2 4 23 3 5 46 5 62 61 3 7 11 8 7 8 â êîòîðîé wÃÐ Â = wÑ = R/L. Àíàëîãè÷íî ðàññ÷èòûâàåòñÿ è ôàçîâàÿ õàðàêòåðèñòèêà ôèëüòðà: j = arctg(w/wÑ). Àíàëèç ÷àñòîòíûõ õàðàêòåðèñòèê ðàññìîòðåííûõ ÔÍ× ïîêàçûâàåò, ÷òî èõ êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è ñïàäàåò ìåäëåííî. Äëÿ óâåëè÷åíèÿ ñêîðîñòè ñïàäà èñïîëüçóþò êàñêàäíîå (äðóã çà äðóãîì) ñîåäèíåíèå ôèëüòðîâ.  ýòîì ñëó÷àå îáùèé êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è áóäåò ðàâåí ïðîèçâåäåíèþ êîýôôèöèåíòîâ ïåðåäà÷è âõîäÿùèõ â íåãî ÿ÷ååê, è ñòåïåíü ïîäàâëåíèÿ êîëåáàíèé â ïîëîñå çàãðàæäåíèÿ óâåëè÷èâàåòñÿ. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. ×òî íàçûâàåòñÿ ôèëüòðîì íèæíèõ ÷àñòîò? 2. Âûâåäèòå ôîðìóëó äëÿ êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è ÔÍ× ïî ñõåìå RÑ-öåïè. 3. Îáîñíóéòå ãðàôèê À×Õ ôèëüòðà, èñïîëüçóÿ ôèçè÷åñêèå ñâîéñòâà åãî ýëåìåíòîâ. 4. Íàéäèòå ãðàíèöó ïîëîñû ïðîïóñêàíèÿ ôèëüòðà. 5. Ïîêàæèòå ýêâèâàëåíòíîñòü RÑ- è RL-ôèëüòðîâ. 6. Êàê óâåëè÷èòü êðóòèçíó ñïàäà À×Õ?
4.3. ÔÈËÜÒÐÛ ÂÅÐÕÍÈÕ ×ÀÑÒÎÒ Ôèëüòðàìè âåðõíèõ ÷àñòîò (ÔÂ×) íàçûâàþòñÿ óñòðîéñòâà, êîòîðûå ìèíèìàëüíî îñëàáëÿþò êîëåáàíèÿ ñ ÷àñòîòàìè îò wÃÐ Í äî áåñêîíå÷íî áîëüøèõ è çàäåðæèâàþò (ïåðåäàþò ñ áîëüøèì îñëàáëåíèåì) êîëåáàíèÿ âñåõ áîëåå íèçêèõ ÷àñòîò.
ÃËÀÂÀ 4. ÈÇÁÈÐÀÒÅËÜÍÛÅ ×ÅÒÛÐÅÕÏÎËÞÑÍÈÊÈ
à
89
á
Ðèñ. 4.5
 ïðîñòåéøåì ñëó÷àå ôèëüòðû âåðõíèõ ÷àñòîò ìîãóò áûòü ðåàëèçîâàíû òîæå ñ ïîìîùüþ RC- è RL-öåïåé (ðèñ. 4.5). Äåéñòâèòåëüíî, åñëè ÷àñòîòà ïîäàâàåìîãî ãàðìîíè÷åñêîãî êîëåáàíèÿ w ñòðåìèòñÿ ê íóëþ, òî ñîïðîòèâëåíèå êîíäåíñàòîðà ÕÑ = 1/wC, ñòðåìèòñÿ ê áåñêîíå÷íîñòè. Òîê, ïðîòåêàþùèé ïîä äåéñòâèåì íàïðÿæåíèÿ UÂÕ (ðèñ. 4.5,à), ñòðåìèòñÿ ê íóëþ, è âûõîäíîå íàïðÿæåíèå, ñíèìàåìîå ñ R, ìàëî. Ïðè ïîâûøåíèè ÷àñòîòû ñîïðîòèâëåíèå êîíäåíñàòîðà óìåíüøàåòñÿ, òîê â öåïè âîçðàñòàåò è íàïðÿæåíèå íà ðåçèñòîðå óâåëè÷èâàåòñÿ. Ñëåäîâàòåëüíî, êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è öåïè âîçðàñòàåò. Ïðè çíà÷èòåëüíîì óâåëè÷åíèè ÷àñòîòû ñîïðîòèâëåíèå êîíäåíñàòîðà ñòðåìèòñÿ ê íóëþ (åãî ìîæíî ïðåäñòàâèòü êîðîòêèì çàìûêàíèåì) è âñå âõîäíîå íàïðÿæåíèå ïåðåäàåòñÿ íà âûõîä ôèëüòðà, òî åñòü åãî êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è ñòàíîâèòñÿ áëèçêèì ê åäèíèöå. Êàê âèäíî èç ðèñ. 4.2 òàêàÿ ÷àñòîòíàÿ õàðàêòåðèñòèêà íàèáîëåå áëèçêà ïî ôîðìå ê õàðàêòåðèñòèêå ÔÂ× è, ñëåäîâàòåëüíî, ðàññìàòðèâàåìàÿ RÑ-öåïü ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ÔÂ×. Êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è öåïè ðèñ. 4.5,à â êîìïëåêñíîé ôîðìå ìîæåò áûòü çàïèñàí òàê: 2 12 3 3 5 46 127 3 3 63859125 7 2 12 5 4 59 1235 (4.2) 5 5
11 3 3 3 5 4 24 9 12 5 4 624 9 27 Çäåñü 3 3 1 422 5 261 3 14 226 7 ýòî ìîäóëü êîìïëåêñíîãî êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è, j = arctg(wÑ/w) òåêóùàÿ ôàçà, à wÑ, êàê è ðàíüøå, ÷àñòîòà ñðåçà, íà êîòîðîé ñîïðîòèâëåíèÿ ýëåìåíòîâ ÿ÷åéêè ôèëüòðà ðàâíû ìåæäó ñîáîé (R = 1/wÑÑ). Íà ðèñ. 4.6 ïðèâåäåíû ÷àñòîòíàÿ (ñì. ðèñ. 4.6,à) è ôàçîâàÿ (ðèñ. 4.6,á) õàðàêòåðèñòèêè öåïè, ðàññ÷èòàííûå ïî (4.2). Äëÿ îïðåäåëåíèÿ íèæíåé ãðàíèöû ïðîïóñêàíèÿ wÃÐ Í âîñïîëüçóåìñÿ ðàâåíñòâîì:
6 1 722 8 234 5 91 3 1
90
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
à
á
Ðèñ. 4.6
îòêóäà wÃÐ Í = wÑ. Ëîãàðèôìè÷åñêàÿ àìïëèòóäíî-÷àñòîòíàÿ õàðàêòåðèñòèêà ôèëüòðà âåðõíèõ ÷àñòîò îïðåäåëÿåìàÿ êàê:
14 56 17 238 4 14 56 19 9 5 732 381 2 4 694 56 179 5 733 381 28 7 8 ïðè ïîíèæåíèè ÷àñòîòû àñèìïòîòè÷åñêè ïðèáëèæàåòñÿ ê ëèíèè 20 äÁ/äåê. Åñëè íà ðèñ. 4.5,à çàìåíèòü Ñ íà R è R íà L (ðèñ. 4.5,á), òî ïðèõîäèì ê RL-ôèëüòðó âåðõíèõ ÷àñòîò. Äåéñòâèòåëüíî, ïðè w ® 0 ñîïðîòèâëåíèå êàòóøêè èíäóêòèâíîñòè ÕL = wL ñòðåìèòñÿ ê íóëþ, à çíà÷èò, âûõîäíîå íàïðÿæåíèå UÂÛÕ = jwLI òàêæå ðàâíî íóëþ. Ïðè w ® ¥ ñîïðîòèâëåíèå êàòóøêè ñòàíîâèòñÿ áåñêîíå÷íî áîëüøèì (ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ðàçðûâ), òîê ÷åðåç íåå íå òå÷åò è âñå âõîäíîå íàïðÿæåíèå ïåðåäàåòñÿ íà âûõîä |K(¥)| = 1. Ìîæíî ïîêàçàòü, ÷òî è â ýòîì ñëó÷àå K(jw) = 1/(1 + wÑ/jw), ïðè÷åì wÃÐ Í = wÑ = R/L. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. 2. 3. 4.
×òî íàçûâàåòñÿ ôèëüòðîì âåðõíèõ ÷àñòîò? Âûâåäèòå ôîðìóëó äëÿ êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è ÔÂ× ïî ñõåìå RÑ-öåïè. Îáîñíóéòå ãðàôèê À×Õ ôèëüòðà, èñïîëüçóÿ ñõåìó. Íàéäèòå ãðàíèöó ïîëîñû ïðîïóñêàíèÿ ôèëüòðà.
4.4. ÏÎËÎÑÎÂÛÅ ÔÈËÜÒÐÛ Ïîëîñîâûìè ôèëüòðàìè (ÏÔ) íàçûâàþò òàêèå ôèëüòðû, êîòîðûå ïðîïóñêàþò êîëåáàíèÿ ñ ÷àñòîòàìè, ëåæàùèìè â ïîëîñå îò wÃÐ Í äî wÃÐ Â, è îñëàáëÿþò âñå äðóãèå ÷àñòîòû. Îíè ìîãóò áûòü ðåàëèçîâàíû ñ ïîìîùüþ ïîñëåäîâàòåëüíîãî ñîåäèíåíèÿ ÔÍ× è ÔÂ×, åñëè èõ ïîëîñû ïðîïóñêàíèÿ ÷àñòè÷íî ïåðåêðûâàþòñÿ ïî ÷àñòîòå (ðèñ. 4.7).  ýòîì ñëó÷àå êîëåáàíèÿ ñ ÷àñòîòàìè ìåíüøèìè wÃÐ Í çàäåðæèâàþòñÿ ÔÂ×, áî´ëüøèìè wÃÐ Â ÔÍ×, à íàõîäÿùèåñÿ
ÃËÀÂÀ 4. ÈÇÁÈÐÀÒÅËÜÍÛÅ ×ÅÒÛÐÅÕÏÎËÞÑÍÈÊÈ
91
Ðèñ. 4.7
ìåæäó íèìè ïðîïóñêàþòñÿ, â èäåàëüíîì ñëó÷àå áåç îñëàáëåíèÿ. Ñëåäîâàòåëüíî, ôîðìèðóåòñÿ À×Õ, ñîîòâåòñòâóþùàÿ ïîëîñîâîìó ôèëüòðó (ðèñ. 4.7). Îäíàêî ÷àùå â êà÷åñòâå ÏÔ èñïîëüçóþò ïîñëåäîâàòåëüíûå è ïàðàëëåëüíûå êîëåáàòåëüíûå êîíòóðû, ïîýòîìó ðàññìîòðèì èõ ôèëüòðóþùèå ñâîéñòâà. 4.4.1. ÔÈËÜÒÐÓÞÙÈÅ ÑÂÎÉÑÒÂÀ ÏÎÑËÅÄÎÂÀÒÅËÜÍÎÃÎ ÊÎËÅÁÀÒÅËÜÍÎÃÎ ÊÎÍÒÓÐÀ
Íà ðèñ. 4.8 ïðèâåäåíà ñõåìà ïîñëåäîâàòåëüíîãî êîëåáàòåëüíîãî êîíòóðà, íà âõîä êîòîðîãî ïîäàåòñÿ ãàðìîíè÷åñêîå íàïðÿæåíèå (UÂÕ), à âûõîäíîå íàïðÿæåíèå (UÂÛÕ) ñíèìàåòñÿ ñ êîíäåíñàòîðà. Çäåñü ñîïðîòèâëåíèå r, êàê ïðàâèëî, õàðàêòåðèçóåò ïîòåðè â ïðîâîäå, êîòîðûì îáìîòàíà êàòóøêà. Ïîñëåäîâàòåëüíûé êîíòóð äëÿ ñèãíàëîâ ñ ÷àñòîòîé, áëèçêîé ê ðåçîíàíñíîé, èìååò ìàëîå âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå, ÷òî îáóñëîâëèâàåò áîëüøóþ âåëè÷èíó ïðîòåêàþùåãî òîêà, à çíà÷èò, è âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ. Íà À×Õ êîíòóðà â îêðåñòÐèñ. 4.8 íîñòè ÷àñòîòû ðåçîíàíñà íàáëþäàåòñÿ ðåçêèé ïîäúåì, ïðè êîòîðîì êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è çíà÷èòåëüíî ïðåâûøàåò åäèíèöó. Íà äðóãèõ ÷àñòîòàõ âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå êîíòóðà âåëèêî: íà âûñîêèõ ÷àñòîòàõ ýòî îáóñëîâëåíî âîçðàñòàíèåì ñîïðîòèâëåíèÿ êàòóøêè (ÕL = wL), à íà íèçêèõ âîçðàñòàíèåì ñîïðîòèâëåíèÿ êîíäåíñàòîðà (ÕC = 1/wC). È òî, è äðóãîå ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ ïðîòåêàþùåãî òîêà, è êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è öåïè ñòàíîâèòñÿ ìåíüøå åäèíèöû.  êîìïëåêñíîé ôîðìå êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è öåïè (ðèñ. 4.8) èìååò âèä:
92
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
34 11 2 34 11 2 2 2 4 3 11 5 3 34 11 2 4 3 1 3 511 4 11 4 36 2 12 (4.3) 12 3 12 1 2 6 41 6 11 2 12 11 1 2 2 2 7 5 8 3 3 1 12 69 51 3 12 6 86 1 2 7 11 1 1 2 7 11 3 4 3 1 6 3 4 4 3 3 3
1 1 12 1 112 1 24 12 12 35 116 2
Çäåñü ó÷òåíî, ÷òî ðåçîíàíñíàÿ ÷àñòîòà 11 2 23 12 4 r = = 1/w0C = w0L, Q = r/r è x = (w w0)/w0. Êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è äîñòèãàåò ñâîåãî ìàêñèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ, êîãäà ìíèìàÿ ÷àñòü çíàìåíàòåëÿ ðàâíà íóëþ. Ýòî âîçìîæíî òîëüêî ïðè x = 0, òî åñòü ïðè w = w0.  ýòîì ñëó÷àå ìîäóëü êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è |K(jw0)| = KÊÐ = Q, òî åñòü âûõîäíîå íàïðÿæåíèå áóäåò â Q ðàç áîëüøå âõîäíîãî. Ïðè ÷àñòîòàõ, áëèçêèõ ê ðåçîíàíñíîé (w » w0), îòíîøåíèå w0/w » 1, à ñîìíîæèòåëü w + w0 » 2w0, òîãäà: 11 212 2 3 23 314 4 253526
(4.4)
Ìîäóëü êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è 2 13 21422 3 7 à ôàçà j = p/2 arctg 2Qx. Ãðàôèê çàâèñèìîñòè |K(jw)| äëÿ äâóõ çíà÷åíèé Q ïðèâåäåí íà ðèñ. 4.9,à. Çäåñü ïî îñè àáñöèññ îäíîâðåìåííî îòëîæåíû âåëè÷èíû w è x, ïðè÷åì âòîðàÿ ÿâëÿåòñÿ áîëåå îáùåé è õàðàêòåðèçóåò À×Õ êîíòóðà äëÿ ëþáîé ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòû. Èç ðàññìîòðåíèÿ ãðàôèêîâ âèäíî, ÷òî êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è öåïè ðèñ. 4.8 ìàêñèìàëåí ïðè w = w0 è ðàâåí Q, âåëè÷èíà êîòîðîé çíà÷èòåëüíî áîëüøå åäèíèöû. ×åì ìåíüøå Q, òåì íèæå èäåò ãðàôèê. Íàéäåì âåëè÷èíó ðàññòðîéêè, ñîîòâåòñòâóþùóþ ãðàíèöå ïîëîñû ïðîïóñêàíèÿ êîíòóðà. Äëÿ ýòîãî, êàê è ðàíüøå, ïðè5 3 631 41
à
á
Ðèñ. 4.9
ÃËÀÂÀ 4. ÈÇÁÈÐÀÒÅËÜÍÛÅ ×ÅÒÛÐÅÕÏÎËÞÑÍÈÊÈ
93
1 3 16 îòêóäà x = ±1/2Q. Òàêèì îáðàçîì, ïîìåì 4 1 511 223 ÃÐ ëîñà ïðîïóñêàíèÿ çàêëþ÷åíà â äèàïàçîíå îò xÃÐ = xÃÐ Í äî xÃÐ = xÃÐ Â, ñëåäîâàòåëüíî, Ï = xÃÐ Â (xÃÐ Í) = 1/Q, òî åñòü îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíà äîáðîòíîñòè. Åñëè ñþäà ïîäñòàâèòü xÃÐ = (wÃÐ w0)/w0, òî Ï = wÃÐ Â wÃÐ Í = w0/Q. Ñðàâíåíèå ïîëîñû ïðîïóñêàíèÿ À×Õ êîíòóðîâ ñ ðàçëè÷íûìè äîáðîòíîñòÿìè íà òàêîì ãðàôèêå íå âñåãäà óäîáíî. Ïîýòîìó ÷àñòî ïîëüçóþòñÿ çàâèñèìîñòÿìè, íîðìèðîâàííûìè îòíîñèòåëüíî ðåçîíàíñíîãî êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è:
1 14 25 3264 223 1 7
7 3 841 41
(ðèñ. 4.9,á), íà êîòîðûõ ñîîòíîøåíèå ïîëîñ ïðîïóñêàíèÿ êîíòóðîâ ñ ðàçíûìè Q âèäíî áîëåå íàãëÿäíî. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. ×òî íàçûâàåòñÿ ïîëîñîâûì ôèëüòðîì? 2. Îáîñíóéòå ôèëüòðóþùóþ ñïîñîáíîñòü ïîñëåäîâàòåëüíîãî êîëåáàòåëüíîãî êîíòóðà. 3. Íàéäèòå êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è öåïè, ïîêàçàííîé íà ðèñ. 4.8. 4. Êàê îïðåäåëèòü ïîëîñó ïðîïóñêàíèÿ êîíòóðà? 5. ×åì óäîáíà íîðìèðîâàííàÿ À×Õ êîíòóðà? 4.4.2. ÔÈËÜÒÐÓÞÙÈÅ ÑÂÎÉÑÒÂÀ ÏÀÐÀËËÅËÜÍÎÃÎ ÊÎËÅÁÀÒÅËÜÍÎÃÎ ÊÎÍÒÓÐÀ
Åñëè ðåàêòèâíûå ýëåìåíòû L è Ñ ñîåäèíèòü ïàðàëëåëüíî äðóã äðóãó, òî ïîëó÷èòñÿ ïàðàëëåëüíûé êîëåáàòåëüíûé êîíòóð. Äëÿ ïðîÿâëåíèÿ åãî ôèëüòðóþùèõ ñâîéñòâ ïîäà÷à íà êîíòóð âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ îñóùåñòâëÿåòñÿ ÷åðåç ñîïðîòèâëåíèå Rà (ðèñ. 4.10). Ïðè åãî îòñóòñòâèè âñå âõîäíîå íàïðÿæåíèå áûëî áû ïðèëîæåíî íåïîñðåäñòâåííî ê êîíòóðó, è ïîääåðæèâàëî áû íà íåì îäèíàêîâîå ñâîå çíà÷åíèå, à çíà÷èò, ôèëüòðóþùèõ ñâîéñòâ ó òàêîé öåïè íå áûëî áû. Ñ ââåäåíèåì Rà è åãî óâåëè÷åíèåì âñå áîëüøàÿ ÷àñòü ýíåðãèè, çàïàñåííàÿ â îäíîì èç ðåàêòèâíûõ ýëåìåíòîâ, áóäåò ïåðåäàâàòüñÿ â äðóãîé è âñå ìåíüøàÿ Ðèñ. 4.10
94
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
îòâåòâëÿòüñÿ ÷åðåç RÃ, à çíà÷èò, ýêâèâàëåíòíàÿ äîáðîòíîñòü êîíòóðà QÝÊ óâåëè÷èâàåòñÿ.  ïðåäåëå ÷åðåç Rà áóäåò ïðîòåêàòü òîëüêî òîê, êîìïåíñèðóþùèé âíóòðåííèå ïîòåðè â êîíòóðå. Ïðîèñõîäÿùèé ïðè ýòîì ìåæäó ðåàêòèâíûìè ýëåìåíòàìè îáìåí ýíåðãèåé áóäåò ìàêñèìàëüíûì, à çíà÷èò, ðåçîíàíñíûå è ôèëüòðóþùèå ñâîéñòâà êîíòóðà ïðîÿâÿòñÿ íàèáîëåå ïîëíî. Ïðè ýòîì óâåëè÷åíèå Rà ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è öåïè, êîòîðûé â ïðåäåëå áóäåò ñòðåìèòüñÿ ê íóëþ.  ðåàëüíûõ ñõåìàõ Rà íå âñåãäà ïðåäñòàâëåíî ðåçèñòîðîì. Ýòî ÷àùå âñåãî âûõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå àêòèâíûõ ýëåìåíòîâ (ýëåêòðîííîé ëàìïû, òðàíçèñòîðà è ò. ä.) èëè âíóòðåííåå ñîïðîòèâëåíèå ãåíåðàòîðà âõîäíîãî êîëåáàíèÿ. Ïåðåéäåì ê îöåíêå ðåçîíàíñíûõ ñâîéñòâ ïàðàëëåëüíîãî êîíòóðà. Îáîçíà÷èì åãî ïîëíîå ñîïðîòèâëåíèå: 31 1 2234 2 31 1 2234 2 224 224 3 5 51 3 2 1 2 4 24 4 1 2 3 3 26 31 1 2234 1 224 Ñîáñòâåííàÿ äîáðîòíîñòü êàòóøêè îáû÷íî âåëèêà, òî åñòü wL ? r è âåëè÷èíîé r â ÷èñëèòåëå äðîáè ìîæíî ïðåíåáðå÷ü.  çíàìåíàòåëå ïðåíåáðåãàòü r íåëüçÿ, òàê êàê ïðè w » w0 ñëàãàåìîå ñ êîýôôèöèåíòîì «j» ñòàíîâèòñÿ íå òîëüêî ñîèçìåðèìûì, íî äàæå ìåíüøå, ÷åì r.  ýòîì ñëó÷àå:
41 1
1 52 312 6 1 3 3 7 2 5363 787 2 564494 5 44 5 7 5 4
Çäåñü RÊÐ = rQ ñîïðîòèâëåíèå êîíòóðà íà ÷àñòîòå ðåçîíàíñà 21 2 11 3 34 12 56 Îíî èìååò ðåçèñòèâíûé õàðàêòåð. Êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è öåïè ðèñ. 4.10 â êîìïëåêñíîé ôîðìå áóäåò ðàâåí: 11 212 456 1 37428 4 4 55 338 4 23 1 1 1 23 1 212 456 1 37428 (4.5) 212 4523 1 212 8 212 4 4 9 23 1 212 1 323 742 6 1 374223 4523 1 212 8 Îáîçíà÷àÿ QRÃ/(Rà + RÊÐ) = QÝÊ ýêâèâàëåíòíàÿ äîáðîòíîñòü, ïîëó÷èì:
28 329 3
112 7813 1 112 9 1 78112 1 13 9
28 329 3 12
4 44 1 344516 4 1 4516
ÃËÀÂÀ 4. ÈÇÁÈÐÀÒÅËÜÍÛÅ ×ÅÒÛÐÅÕÏÎËÞÑÍÈÊÈ
95
à j = arctg 2QÝÊÂx. Îòñþäà âèäíî, ÷òî ïðè w = w0 èëè x = 0 ìîäóëü êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è |K(jw)| äîñòèãàåò ñâîåãî ìàêñèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ |K(jw)| = KÊÐ è ðàâåí êîýôôèöèåíòó ïåðåäà÷è ðåçèñòèâíîãî äåëèòåëÿ, ñîñòàâëåííîãî èç Rà è RÊÐ. Ïðè Rà ® 0 âåëè÷èíà |K(jw)| ® 1, ïðè Rà ® ¥, êàê è ó îáû÷íîãî äåëèòåëÿ, |K(jw)| ® 0. Íàéäåì ðàññòðîéêè, ñîîòâåòñòâóþùèå ãðàíèöå ïîëîñû ïðîïóñêàíèÿ Ï. Äëÿ ýòîãî, êàê è ðàíåå, çàïèøåì 1 21 3 19 7 1 81234 56
îòêóäà xÃÐ = ±1/2QÝÊ = ±(Rà + RÊÐ)/RÃ2Q è Ï = xÃÐ Â (xÃÐ Í) = = (Rà + RÊÐ)/RÃQ. Åñëè Rà ® ¥, òî ãðàíè÷íàÿ ðàññòðîéêà ñîâïàäàåò ñ àíàëîãè÷íîé âåëè÷èíîé ïîñëåäîâàòåëüíîãî êîëåáàòåëüíîãî êîíòóðà; åñëè Rà ® 0, òî xÃÐ ® ¥, òî åñòü ñòàíîâèòñÿ íåîïðåäåëåííîé, ñëåäîâàòåëüíî, êîíòóð òåðÿåò ôèëüòðóþùèå ñâîéñòâà. Ïðèâåäåííûå ôîðìóëû ïîçâîëÿþò ïðè èçâåñòíûõ À×Õ êîíòóðà è Rà íàéòè âñå åãî ïàðàìåòðû, ÷òî îáû÷íî èñïîëüçóþò íà ïðàêòèêå. Äåéñòâèòåëüíî, îïðåäåëÿÿ ïî À×Õ âåðõíþþ (xÃÐ Â) è íèæíþþ (xÃÐ Í) ðàññòðîéêè êîíòóðà, ìîæíî íàéòè åãî ýêâèâàëåíòíóþ äîáðîòíîñòü QÝÊ = 1/(xÃÐ Â + xÃÐ Í); ïðè èçâåñòíîì êîýôôèöèåíòå ïåðåäà÷è öåïè íà ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòå KÊÐ = RÊÐ/(Rà + RÊÐ) è âåëè÷èíå Rà ìîæíî ðàññ÷èòàòü çíà÷åíèå RÊÐ, ñîáñòâåííóþ äîáðîòíîñòü Q è õàðàêòåðèñòè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå r. Ñðàâíåíèå ïîñëåäíèõ âåëè÷èí ïîçâîëÿåò íàéòè çíà÷åíèå r, à, âîñïîëüçîâàâøèñü ôîðìóëîé r = w0L = 1/w0Ñ, ïî èçâåñòíîé w0 ìîæíî îïðåäåëèòü L è Ñ. Äëÿ ïîâûøåíèÿ ñòåïåíè ïîäàâëåíèÿ êîëåáàíèé ñ ÷àñòîòàìè, âûõîäÿùèìè çà ãðàíèöó ïîëîñû ïðîïóñêàíèÿ, â òàêèõ ôèëüòðàõ â êà÷åñòâå RÃ, à òàêæå â öåïè ïåðåäà÷è íàïðÿæåíèÿ íà âûõîä èíîãäà ïðèìåíÿþò ïîñëåäîâàòåëüíûå êîëåáàòåëüíûå êîíòóðû, íàñòðàèâàÿ èõ íà òó æå ðåçîíàíñíóþ ÷àñòîòó.  ýòîì ñëó÷àå ïîäàâëåíèå óâåëè÷èâàåòñÿ íå òîëüêî çà ñ÷åò óìåíüøåíèÿ ZÊ, íî è çà ñ÷åò óâåëè÷åíèÿ ñîïðîòèâëåíèÿ ïîñëåäîâàòåëüíîãî êîëåáàòåëüíîãî êîíòóðà. Íà ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòå îáùèé êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è óâåëè÷èâàåòñÿ, ÷òî ñâÿçàíî êàê ñ ìèíèìàëüíûì ñîïðîòèâëåíèåì ïîñëåäîâàòåëüíûõ êîíòóðîâ, òàê è ìàêñèìàëüíûì ïàðàëëåëüíîãî êîíòóðà.
96
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Îáîñíóéòå ôèëüòðóþùóþ ñïîñîáíîñòü ïàðàëëåëüíîãî êîëåáàòåëüíîãî êîíòóðà. 2. Íàéäèòå êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è öåïè, ïîêàçàííîé íà ðèñ. 4.10. 3. ×åìó ðàâíà ïîëîñà ïðîïóñêàíèÿ ïàðàëëåëüíîãî êîíòóðà? 4. Îáúÿñíèòå âëèÿíèå âíóòðåííåãî ñîïðîòèâëåíèÿ ãåíåðàòîðà Rà íà ôèëüòðóþùèå ñâîéñòâà êîíòóðà.
4.5. ÇÀÃÐÀÆÄÀÞÙÈÅ ÔÈËÜÒÐÛ Çàãðàæäàþùèìè íàçûâàþòñÿ ôèëüòðû (ÇÔ), âûðåçàþùèå (íå ïðîïóñêàþùèå) êîëåáàíèÿ â îïðåäåëåííîì äèàïàçîíå ÷àñòîò è ïðîïóñêàþùèå ñ ìèíèìàëüíûì îñëàáëåíèåì âñå îñòàëüíûå. Èõ èñïîëüçóþò äëÿ ïîäàâëåíèÿ èçâåñòíûõ ïîìåõ, íàïðèìåð, ñ ÷àñòîòîé ïèòàþùåé ñåòè (50 Ãö).  ïðîñòåéøåì ñëó÷àå òàêèå ôèëüòðû ìîãóò áûòü ïîëó÷åíû ïóòåì ïàðàëëåëüíîãî âêëþ÷åíèÿ ÔÍ× è ÔÂ×, åñëè èõ ïîëîñû ïðîïóñêàíèÿ íå ïåðåêðûâàþòñÿ (ðèñ. 4.11,à è á). Çäåñü êîëåáàíèÿ ñ ÷àñòîòàìè, ìåíüøèìè wÃÐ Í, ïðîïóñêàþòñÿ ôèëüòðîì íèæíèõ ÷àñòîò, à ïðåâûøàþùèå wÃÐ Â ôèëüòðîì âåðõíèõ ÷àñòîò. ×àñòî ïðè èõ ïîñòðîåíèè èñïîëüçóþò ôèëüòðóþùèå ñâîéñòâà ïîñëåäîâàòåëüíûõ è ïàðàëëåëüíûõ êîëåáàòåëüíûõ êîíòóðîâ. Íà ðèñ. 4.11,â ïîêàçàíà îäíà èç âîçìîæíûõ ñõåì òàêîé ðåàëèçàöèè ÇÔ. Çäåñü ðåçîíàíñíàÿ ÷àñòîòà îáîèõ òèïîâ êîíòóðîâ âûáèðàåòñÿ îäèíàêîâîé. Íà ýòîé ÷àñòîòå ñîïðîòèâëåíèå ïîñëåäîâàòåëüíîãî êîíòóðà ìèíèìàëüíî (â èäåàëüíîì ñëó÷àå ðàâíî íóëþ), à ïàðàëëåëüíîãî ìàêñèìàëüíî (â ïðåäåëå ñòðåìèòñÿ ê áåñêîíå÷íîñòè), ñëåäîâàòåëüíî, êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è öåïè ðàâåí íóëþ è êîëåáàíèÿ íà âûõîä íå ïåðåäàþòñÿ. Íà ÷àñòîòàõ, çíà÷èòåëüíî îòëè÷àþà
á
â
Ðèñ. 4.11
ÃËÀÂÀ 4. ÈÇÁÈÐÀÒÅËÜÍÛÅ ×ÅÒÛÐÅÕÏÎËÞÑÍÈÊÈ
97
ùèõñÿ îò ðåçîíàíñíîé, êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è áóäåò ñòðåìèòüñÿ ê åäèíèöå. Äåéñòâèòåëüíî, íà íèæíèõ ÷àñòîòàõ (w ® 0) êîëåáàíèÿ áóäóò ïðîõîäèòü ÷åðåç êàòóøêè èíäóêòèâíîñòè ïàðàëëåëüíûõ êîíòóðîâ (ÕL = wL ® 0), à îòâåòâëåíèå â ïîñëåäîâàòåëüíûé êîíòóð ïðåäîòâðàùàåòñÿ óâåëè÷åíèåì ñîïðîòèâëåíèÿ êîíäåíñàòîðà (ÕÑ = 1/wÑ ® ¥). Íà âåðõíèõ ÷àñòîòàõ (w ® ¥) ìèíèìàëüíûìè áóäóò ñîïðîòèâëåíèÿ êîíäåíñàòîðîâ ïàðàëëåëüíûõ êîíòóðîâ (ÕÑ = 1/wÑ ® 0), à ìàêñèìàëüíûì ñîïðîòèâëåíèå êàòóøêè èíäóêòèâíîñòè ïîñëåäîâàòåëüíîãî êîíòóðà (ÕL = wL ® ¥).  îáîèõ ñëó÷àÿõ ìîäóëü êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è öåïè |K| ® 1. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. ×òî íàçûâàåòñÿ çàãðàæäàþùèì ôèëüòðîì? 2. Ðàññêàæèòå, êàê ïîñòðîèòü åãî ñ ïîìîùüþ ÔÍ× è ÔÂ×. 3. Ïîÿñíèòå ðàáîòó ôèëüòðà, ðåàëèçîâàííîãî ñ ïîìîùüþ ïîñëåäîâàòåëüíîãî è ïàðàëëåëüíîãî êîíòóðîâ.
4.6. ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈ×ÅÑÊÎÅ ÓÐÀÂÍÅÍÈÅ ÔÈËÜÒÐÀ Øèðîêîå è ìíîãîîáðàçíîå ïðèìåíåíèå ôèëüòðîâ ïðèâåëî ê ñîçäàíèþ çíà÷èòåëüíîãî ÷èñëà èõ ðàçíîâèäíîñòåé, ââåäåíèþ åäèíûõ óíèâåðñàëüíûõ ïîäõîäîâ ê èõ ðàñ÷åòó è ðåàëèçàöèè.  ýòèõ óñëîâèÿõ ôèëüòðóþùèå ñâîéñòâà ÷åòûðåõïîëþñíèêîâ ÷àñòî îïèñûâàþò îáîáùåííîé íîðìèðîâàííîé ôóíêöèåé 11 425 1
3 3 2 3212425
6
ãäå e äîïóñòèìàÿ, îïðåäåëÿåìàÿ íà ãðàíèöå ïîëîñû ïðîïóñêàíèÿ ôèëüòðà, íåðàâíîìåðíîñòü åãî À×Õ, Ô(õ) ìàòåìàòè÷åñêîå îïèñàíèå ôèëüòðóþùåé ôóíêöèè, õ = w/wÃÐ íîðìèðîâàííàÿ îòíîñèòåëüíî ãðàíè÷íîé òåêóùàÿ ÷àñòîòà. Íàïðèìåð, äëÿ ðàññìîòðåííîãî âûøå ÔÍ×, âûïîëíåííîãî ñ ïîìîùüþ RC-öåïè (4.1), e = 1, Ô(õ) = õ. ×àñòî Ô(õ) çàäàþò â âèäå ôóíêöèé, ïðåäëîæåííûõ èçâåñòíûìè ó÷åíûìè.  ýòîì ñëó÷àå ôèëüòðû íîñÿò èõ èìåíà (ôèëüòð Áàòòåðâîðòà, ×åáûøåâà è ò. ä.). Îáû÷íî ïðè ïðàêòè÷åñêèõ ðàñ÷åòàõ è àíàëèçå ôèëüòðà íåò íåîáõîäèìîñòè â ïîäðîáíîì ïîñòðîåíèè åãî À×Õ, à äîñòàòî÷íî çíàòü åå íåðàâíîìåðíîñòü è ÷àñòîòû, íà êîòîðûõ îíà ïðîÿâëÿåòñÿ.  âîïðîñàõ æå ñèíòåçà, íàîáîðîò, ýòè ïàðàìåòðû çàäàíû,
98
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
è ïî íèì íåîáõîäèìî âûïîëíèòü ñõåìîòåõíè÷åñêóþ ðåàëèçàöèþ ôèëüòðà.  îáîèõ ñëó÷àÿõ ôèëüòð îïðåäåëÿþò êàê ñîâîêóïíîñòü ÷èñëà ïîëþñîâ (íàçûâàåìîãî åùå ïîðÿäêîì ôèëüòðà è îïðåäåëÿåìîãî êîëè÷åñòâîì èñïîëüçóåìûõ ðåàêòèâíûõ ýëåìåíòîâ), íóëåé è èõ ÷àñòîò.  ïîëþñå ôèëüòðà åãî êîìïëåêñíûé êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è â ïîëîñå ïðîïóñêàíèÿ ñòðåìèòñÿ ê ¥, â íóëå K(jw) ® 0. Ìàòåìàòè÷åñêè òàêîé ïîäõîä íàèáîëåå ïðîñò ïðè ïðåäñòàâëåíèè êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è ôèëüòðà K(jw) â âèäå äðîáè, ñîñòîÿùåé èç äâóõ ðàçíîñòåïåííûõ íåñîêðàùàåìûõ (íå èìåþùèõ îäèíàêîâûõ ñîìíîæèòåëåé) ïîëèíîìîâ, ïðè÷åì ñòåïåíü ïîëèíîìà ÷èñëèòåëÿ ìåíüøå ñòåïåíè ïîëèíîìà çíàìåíàòåëÿ. Ïðèðàâíèâàÿ ÷èñëèòåëü è çíàìåíàòåëü íóëþ è ðåøàÿ ïîëó÷èâøèåñÿ óðàâíåíèÿ, ìîæíî íàéòè äëÿ ïåðâîãî ÷èñëî íóëåé è ÷àñòîòû, íà êîòîðûõ îíè ñóùåñòâóþò, äëÿ âòîðîãî òå æå äàííûå äëÿ ïîëþñîâ. Î÷åíü ÷àñòî, êàê, íàïðèìåð, â ðàññìîòðåííîì âûøå ÔÍ×, ÷èñëèòåëü çàäàåòñÿ ïîñòîÿííûì êîýôôèöèåíòîì è àíàëèç îãðàíè÷èâàåòñÿ ðåøåíèåì óðàâíåíèÿ çíàìåíàòåëÿ.  òåîðèè ôèëüòðîâ îíî íàçûâàåòñÿ «õàðàêòåðèñòè÷åñêèì». Ïðè åãî ñîñòàâëåíèè ïîëüçóþòñÿ ïðåîáðàçîâàíèåì Ëàïëàñà, êîòîðîå ïîçâîëÿåò ðåøàòü ïîëó÷àþùèåñÿ êîìïëåêñíûå óðàâíåíèÿ àëãåáðàè÷åñêèìè ìåòîäàìè. Äëÿ ýòîãî èñïîëüçóþò çàìåíó jw = ð è óðàâíåíèÿ ïðåäñòàâëÿþò â âèäå (ð ð1)(ð ð2)
(ð ðn). Çäåñü ð1, ð2
ðn ïîëþñû ôèëüòðà êîðíè óðàâíåíèÿ, êîòîðûå ìîãóò áûòü äåéñòâèòåëüíûìè è êîìïëåêñíûìè (ñ + jb) ÷èñëàìè. Äåéñòâèòåëüíûå êîðíè è äåéñòâèòåëüíûå ÷àñòè êîìïëåêñíûõ ÷èñåë õàðàêòåðèçóþò ïîòåðè ýíåðãèè â ýëåêòðè÷åñêîé öåïè. Îòðèöàòåëüíûé çíàê ïåðåä íèìè ïîêàçûâàåò, ÷òî ïîäàâàåìûå íà âõîä êîëåáàíèÿ, ïðîõîäÿ ïî öåïè, óìåíüøàþòñÿ è ïðè îòêëþ÷åíèè âõîäíîãî ñèãíàëà êîëåáàíèÿ íà âûõîäå ïðåêðàùàþòñÿ. Ïîëîæèòåëüíûå ñîîòâåòñòâóþò âîçðàñòàíèþ êîëåáàíèé, ÷òî õàðàêòåðíî äëÿ àâòîêîëåáàòåëüíûõ ïðîöåññîâ.  ôèëüòðàõ ãåíåðàòîðíûõ ïðîöåññîâ íåò, ïîýòîìó äåéñòâèòåëüíûå ÷àñòè êîðíåé äîëæíû áûòü îòðèöàòåëüíû. Åñëè åñòü íåñêîëüêî îäèíàêîâûõ êîðíåé (ð ð1)n, òî îíè íàçûâàþòñÿ «êðàòíûìè», â ïðîòèâíîì ñëó÷àå êîðíè ïðîñòûå. Ìíèìàÿ ÷àñòü êîìïëåêñíûõ êîðíåé (ñ îïåðàòîðîì j) ïîêàçûâàåò, ÷òî íà ÷àñòîòàõ, ñîîòâåòñòâóþùèõ èì, ìîæåò íàáëþäàòüñÿ óâåëè÷åíèå êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è öåïè, ÷òî â LÑ-öåïÿõ îáóñëîâëåíî ðåçîíàíñîì.
ÃËÀÂÀ 4. ÈÇÁÈÐÀÒÅËÜÍÛÅ ×ÅÒÛÐÅÕÏÎËÞÑÍÈÊÈ
99
Íà ïðàêòèêå îáû÷íî èíòåðåñóþòñÿ íå êîìïëåêñíûì êîýôôèöèåíòîì ïåðåäà÷è öåïè, à åãî ìîäóëåì.  ýòîì ñëó÷àå â ïîëþñå ìîäóëü êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è ìåíüøå íîìèíàëüíîãî â 1 ðàç. Íàïðèìåð, äëÿ ðàññìîòðåííîãî âûøå îäíîçâåííîãî ÔÍ×, ïîñòðîåííîãî ñ ïîìîùüþ RÑ-öåïè, ïåðåäàòî÷íàÿ ôóíêöèÿ (4.1) â ïðèíÿòûõ îáîçíà÷åíèÿõ áóäåò èìåòü âèä: 13 24 2
11 2 5 2 2 3 2 6 11 2 3 11
ãäå wÑ ÷àñòîòà ñðåçà. Îòñþäà ïîëþñ ôèëüòðà ð1 = wÑ. Òîãäà íà ýòîé ÷àñòîòå 22 33 1 4 4 2 2 4 5 31 31 1 4 1 6 òî åñòü ýòà ÷àñòîòà ñîîòâåòñòâóåò ãðàíè÷íîé ÷àñòîòå ôèëüòðà. Äëÿ ïîñëåäîâàòåëüíîãî êîëåáàòåëüíîãî êîíòóðà õàðàêòåðèñòè÷åñêîå óðàâíåíèå ìîæåò áûòü ïîëó÷åíî çàìåíîé jw = ð â ôîðìóëå åãî êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è: 33 114 2
12 11 2 5 4 3 115 3 12 112
 ýòîì ñëó÷àå, ó÷èòûâàÿ, ÷òî r/L = w0r/w0L = w0/Q, ïîëó÷èì: 55 16 2
112 34 12 34 34 2 1 2 1 7 6 3 73 3 34 74 7 3 76 4 3 3 34 34 7 3 712 48 3 112
Çäåñü õàðàêòåðèñòè÷åñêîå óðàâíåíèå èìååò âèä: ð2 + ðw0/Q + + w02 = 0, à åãî êîðíè: 1341 2 3
112 112 12 1 2 3 12 4 33 11 3 4 3 1 2 2 2 12 12 521 521 2 3 3 4 412 3 3 3 1 6 15 52
Ïîëó÷åííûå âûðàæåíèÿ êðîìå íàõîæäåíèÿ êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è öåïè ïîçâîëÿþò ïðîàíàëèçèðîâàòü è ïðîöåññû, ïðîèñõîäÿùèå â íåé. Ñëàãàåìîå r/2L ïîêàçûâàåò, ÷òî íå âñÿ ýíåðãèÿ êîëåáàíèÿ, ïîñòóïàþùàÿ èç âõîäíîé öåïè, íàêàïëèâàåòñÿ â L, ÷àñòü åå òåðÿåòñÿ â ðåçèñòîðå r. ×àñòîòà ñâîáîäíûõ êîëåáàíèé, âîçíèêàþùèõ â êîíòóðå, 1 2 12 3 3 34 511 îòëè÷àåòñÿ îò ðåçîíàíñíîé (w0). Ýòî îáúÿñíÿåòñÿ òåì, ÷òî íàëè÷èå r çàìåäëÿåò ïðîöåññ ïåðåçàðÿäà ðåàêòèâíûõ ýëåìåíòîâ. Ïîñëåäíåå ñâÿçàíî êàê ñ óìåíüøåíèåì ñêîðîñòè èçìåíåíèÿ òîêà ïåðåçàðÿäà, òàê è ñ ïîòåðåé ÷àñòè ýíåðãèè â ðåçèñòîðå.
100
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
Ñ ó÷åòîì ïîëó÷åííûõ êîðíåé ïåðåäàòî÷íàÿ ôóíêöèÿ ïîñëåäîâàòåëüíîãî êîëåáàòåëüíîãî êîíòóðà ïðèíèìàåò ñòàíäàðòíûé âèä: 13 24 2 2
112 2 21 3 212 5 3 3 112
112 4 11 54 11 1 1 7 2 3 2 3 4 112 6 21 87 2 3 2 6 4 112 6 21 7 13 13 73 87 73 9
9
5 8 8
6
(4.6)
Çàìåíÿÿ â ýòîé ôîðìóëå «ð» íà jw, ðàçäåëÿÿ äåéñòâèòåëüíûå è ìíèìûå ÷àñòè, ïîëó÷èì: 13 234 4
312 4 5 32 1 6 5 32 7 2 3 8 3 1 6 2 5 567 3 5 567 3 7 3 7 3 8 8 2 2 9 13
9 13
8 2332 6 3 8 23 8 4 4 (4.7) 1 1 1 1 3 7 2333 8 32 4 5 7 2 32 333 8 32 4 1 1 32 3 32 32
1
2
1
2
Ïðè ÷àñòîòàõ w » w0 ìîæíî çàïèñàòü: 31 122 3
1 12 3 4 4 1525
÷òî ñîâïàäàåò ñ (4.4). Òàêèì îáðàçîì, äëÿ îïðåäåëåíèÿ êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è öåïè ìîæíî ïîëüçîâàòüñÿ ëþáûì èç ïðèâåäåííûõ ñïîñîáîâ: ëèáî ïðåîáðàçóÿ êîìïëåêñíûé êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è, ëèáî çàïèñûâàÿ è ðåøàÿ õàðàêòåðèñòè÷åñêîå óðàâíåíèå. Ïîñëåäíåå îñîáåííî ïîëåçíî ïðè ñèíòåçå öåïåé, òàê êàê, ñâîäÿ åãî âèä ê îäíîìó èç èçâåñòíûõ âûðàæåíèé, ìîæíî ïðåäñêàçàòü è ñõåìîòåõíè÷åñêóþ ðåàëèçàöèþ öåïè, è îöåíèòü åå ñâîéñòâà. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. 2. 3. 4. 5.
×òî íàçûâàåòñÿ íóëåì è ïîëþñîì ôèëüòðà? Êàêîå óðàâíåíèå íàçûâàåòñÿ õàðàêòåðèñòè÷åñêèì? ×òî õàðàêòåðèçóþò êîðíè òàêîãî óðàâíåíèÿ? Çàïèøèòå õàðàêòåðèñòè÷åñêîå óðàâíåíèå äëÿ îäíîçâåííîãî ÔÍ×. Çàïèøèòå õàðàêòåðèñòè÷åñêîå óðàâíåíèå äëÿ ïîñëåäîâàòåëüíîãî êîëåáàòåëüíîãî êîíòóðà.
ÃËÀÂÀ 4. ÈÇÁÈÐÀÒÅËÜÍÛÅ ×ÅÒÛÐÅÕÏÎËÞÑÍÈÊÈ
101
4.7. ÀÊÒÈÂÍÛÅ RÑ-ÔÈËÜÒÐÛ Ðàññìîòðåííûå âûøå ðåçîíàíñíûå ôèëüòðû, îáëàäàÿ âûñîêîé äîáðîòíîñòüþ è õîðîøåé èçáèðàòåëüíîñòüþ, èìåþò ñóùåñòâåííûé íåäîñòàòîê: âõîäÿùàÿ â èõ ñîñòàâ êàòóøêà èíäóêòèâíîñòè ïðè èñïîëüçîâàíèè â íèçêî÷àñòîòíûõ äèàïàçîíàõ èìååò çíà÷èòåëüíûå ãàáàðèòû è ìàññó, ÷òî äåëàåò èíîãäà íåâîçìîæíûì ïðèìåíåíèå òàêîãî ôèëüòðà. Ýòîò íåäîñòàòîê îòñóòñòâóåò â àêòèâíûõ RÑ-ôèëüòðàõ (ÀRÑ-ôèëüòðàõ), â êîòîðûõ êàòóøêè èíäóêòèâíîñòè ïîëíîñòüþ îòñóòñòâóþò. Òàêèå ôèëüòðû ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ñî÷åòàíèå àêòèâíîãî (óñèëèòåëüíîãî) ýëåìåíòà è RÑ-öåïåé. Ó÷èòûâàÿ, ÷òî âñå èõ êîìïîíåíòû ìîãóò áûòü èçãîòîâëåíû ìèíèàòþðíûìè, ìàññîãàáàðèòíûå ïàðàìåòðû ôèëüòðîâ îêàçûâàþòñÿ çíà÷èòåëüíî (â äåñÿòêè è áîëåå ðàç) ìåíüøå ôèëüòðîâ íà LC-öåïÿõ, ÷òî ïðèâëåêàåò ê íèì îñîáîå âíèìàíèå. Êàê óæå óêàçûâàëîñü âûøå, â ñîñòàâ ôèëüòðîâ âõîäÿò àêòèâíûå (óñèëèòåëüíûå) ýëåìåíòû, è ýòî îãðàíè÷èâàåò âåëè÷èíó àìïëèòóäû âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ ôèëüòðà, îïðåäåëÿåìóþ çíà÷åíèåì èñïîëüçóåìîãî íàïðÿæåíèÿ ïèòàíèÿ; â íèõ âîçíèêàþò äîïîëíèòåëüíûå øóìû è íåëèíåéíûå èñêàæåíèÿ, óìåíüøàåòñÿ íàäåæíîñòü. Íàèáîëåå ÷àñòî â êà÷åñòâå àêòèâíûõ ýëåìåíòîâ â ôèëüòðàõ èñïîëüçóþò îïåðàöèîííûå óñèëèòåëè. 4.7.1. ÇÂÅÍÜß ÏÅÐÂÎÃÎ ÏÎÐßÄÊÀ
Ïðåäñòàâëåíèå çíàìåíàòåëÿ â ôîðìóëå êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è öåïè â âèäå ïðîèçâåäåíèÿ êîðíåé ñòåïåííîãî ïîëèíîìà ïîçâîëÿåò íàèáîëåå ïðîñòî ñèíòåçèðîâàòü ôèëüòð, ïðîåêòèðóÿ åãî êàê íàáîð âêëþ÷åííûõ äðóã çà äðóãîì ïðîñòåéøèõ ÿ÷ååê, ñîîòâåòñòâóþùèõ êàæäîìó êîðíþ. Êàê óêàçûâàëîñü âûøå, êîðíè ìîãóò áûòü äåéñòâèòåëüíûìè è êîìïëåêñíûìè ÷èñëàìè. Ïåðâûå èç íèõ ñîîòâåòñòâóþò ÿ÷åéêàì ïåðâîãî ïîðÿäêà (RÑ-öåïè; íàïîìíèì, ÷òî ïîðÿäîê çâåíà îïðåäåëÿåòñÿ êîëè÷åñòâîì èñïîëüçóåìûõ â íèõ ðåàêòèâíûõ ýëåìåíòîâ), ó êîòîðûõ ãðàôèê À×Õ èçìåíÿåòñÿ ìîíîòîííî (äëÿ ÔÍ× ñïàäàåò, äëÿ ÔÂ× âîçðàñòàåò); âòîðûå ÿ÷åéêàì âòîðîãî ïîðÿäêà, íà àìïëèòóäíî-÷àñòîòíîé õàðàêòåðèñòèêå êîòîðûõ ìîãóò ñóùåñòâîâàòü è ÷åðåäîâàòüñÿ ó÷àñòêè åå ïîäúåìà è ñïàäà. Ïîýòîìó äëÿ ðåàëèçàöèè ïîëèíîìà ëþáîé ñòåïåíè äîñòàòî÷íî èñïîëüçîâàòü ëèøü íàáîð òàêèõ ÿ÷ååê.
102
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
Ïðè ðàññìîòðåíèè ÔÍ× è ÔÂ× ñ÷èòàëîñü, ÷òî ñîïðîòèâëåíèå íàãðóçêè RÍ, ïîäêëþ÷àåìîé ê íèì, áåñêîíå÷íî âåëèêî è íå âëèÿåò íà À×Õ öåïè.  ðåàëüíûõ óñëîâèÿõ ýòî íå òàê. Êîíå÷íàÿ âåëè÷èíà RÍ, à èíîãäà è íåëèíåéíûé åå õàðàêòåð (íàïðèìåð, åñëè ýòî âûïðÿìèòåëü), èçìåíÿþò wÃÐ, à çíà÷èò, è ñòåïåíü ïîäàâëåíèÿ ôèëüòðà. Íàëè÷èå óñèëèòåëüíîãî ýëåìåíòà ïîçâîëÿåò íå òîëüêî ôîðìèðîâàòü âûõîäíîå íàïðÿæåíèå áîëüøå âõîäíîãî, íî è èñêëþ÷èòü âëèÿíèå ñîïðîòèâëåíèÿ íàãðóçêè, à òàêæå ñàìèõ ÿ÷ååê äðóã íà äðóãà. Áîëüøîå âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå óñèëèòåëÿ ïðåäîòâðàùàåò øóíòèðîâàíèå ýëåìåíòîâ RÑ-öåïè, à çíà÷èò, íå èçìåíÿåò ãðàíè÷íóþ ÷àñòîòó ÿ÷åéêè; ìàëîå åãî âûõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå ïîçâîëÿåò íå òîëüêî èñêëþ÷èòü âëèÿíèå RÍ, íî è ñ÷èòàòü, ÷òî äëÿ ïîñëåäóþùåé ÿ÷åéêè íàïðÿæåíèå ïîäàåòñÿ îò èäåàëüíîãî ãåíåðàòîðà ÝÄÑ, òî åñòü ñ âíóòðåííèì ñîïðîòèâëåíèåì, ðàâíûì íóëþ. Äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ óêàçàííûõ ñâîéñòâ óñèëèòåëü ìîæíî ïîäêëþ÷èòü íà âûõîä ÿ÷åéêè, íî, êàê ïðàâèëî, åãî ââîäÿò â åå ñîñòàâ, òåì ñàìûì íå òîëüêî ñîêðàùàÿ ÷èñëî èñïîëüçóåìûõ ýëåìåíòîâ, íî è óëó÷øàÿ êà÷åñòâåííûå ïîêàçàòåëè ôèëüòðà. Íà ðèñ. 4.12 ïîêàçàíû àêòèâíûå çâåíüÿ ïåðâîãî ïîðÿäêà: ÔÍ× (ðèñ. 4.12,à) è ÔÂ× (ðèñ. 4.12,á). Ïåðâîå èç íèõ åùå èíîãäà íàçûâàþò èíòåãðèðóþùèì óñèëèòåëåì, òàê êàê ïðè ïîäà÷å íà åãî âõîä ïîñòîÿííîãî íàïðÿæåíèÿ âûõîäíîå íàïðÿæåíèå óâåëè÷èâàåòñÿ íå ñðàçó, à ïîñòåïåííî, íàêàïëèâàÿñü, ñóììèðóÿñü, òî åñòü âûïîëíÿÿ îïåðàöèþ èíòåãðèðîâàíèÿ.  òàêèõ ôèëüòðàõ (ðèñ. 4.12,à) ïðè ïîäà÷å íà âõîä ãàðìîíè÷åñêîãî ñèãíàëà è ïîâûøåíèè åãî ÷àñòîòû âåëè÷èíà ñîïðîòèâëåíèÿ êîíäåíñàòîðà Ñ óìåíüøàåòñÿ, à çíà÷èò, óìåíüøàåòñÿ êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è óñèëèòåëÿ (3.1) è âûõîäíîå íàïðÿæåíèå ôèëüòðà. Ïðè÷åì, êàê áóäåò ïîêàçàíî ïîçäíåå, ïðîèñõîäÿùåå çäåñü óãëóáëåíèå îòðèöàòåëüíîé îáðàòíîé à
á
Ðèñ. 4.12
ÃËÀÂÀ 4. ÈÇÁÈÐÀÒÅËÜÍÛÅ ×ÅÒÛÐÅÕÏÎËÞÑÍÈÊÈ
103
ñâÿçè ïðèâîäèò ê óëó÷øåíèþ âñåõ êà÷åñòâåííûõ ïîêàçàòåëåé óñèëèòåëÿ è, ñëåäîâàòåëüíî, âûõîäíîãî êîëåáàíèÿ. Àêòèâíûé ôèëüòð âåðõíèõ ÷àñòîò (ðèñ. 4.12,á) èíîãäà íàçûâàþò äèôôåðåíöèðóþùèì óñèëèòåëåì. Çäåñü ïîäàííîå íà âõîä ôèëüòðà ïîñòîÿííîå íàïðÿæåíèå âñå ïåðåäàåòñÿ íà âõîä óñèëèòåëÿ, à çíà÷èò, è íà åãî âûõîä. Ñ òå÷åíèåì âðåìåíè, ïî ìåðå óâåëè÷åíèÿ çàðÿäà êîíäåíñàòîðà, íàïðÿæåíèÿ íà âõîäå è âûõîäå óñèëèòåëÿ óìåíüøàþòñÿ, âûïîëíÿÿ îïåðàöèþ äèôôåðåíöèðîâàíèÿ. Ïðè ïîäà÷å ãàðìîíè÷åñêîãî ñèãíàëà ñ óâåëè÷èâàþùåéñÿ ÷àñòîòîé ñîïðîòèâëåíèå êîíäåíñàòîðà Ñ óìåíüøàåòñÿ, è êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è ôèëüòðà (3.1) óâåëè÷èâàåòñÿ. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. 2. 3. 4.
×òî íàçûâàåòñÿ çâåíîì ôèëüòðà ïåðâîãî ïîðÿäêà? ×åì îïðåäåëÿåòñÿ ïîðÿäîê çâåíà?  ÷åì îñîáåííîñòè èñïîëüçîâàíèÿ îïåðàöèîííûõ óñèëèòåëåé? Íàðèñóéòå ïðèíöèïèàëüíûå ñõåìû àêòèâíûõ ÔÍ× è ÔÂ× ïåðâîãî ïîðÿäêà. 5. Êàêîâû îñîáåííîñòè èõ ðàáîòû? 4.7.2. ÇÂÅÍÜß ÂÒÎÐÎÃÎ ÏÎÐßÄÊÀ
Êàê óæå óêàçûâàëîñü, íà À×Õ òàêîãî çâåíà ìîãóò ÷åðåäîâàòüñÿ ó÷àñòêè ïîäúåìà è ñïàäà. Ïîäúåì âîçìîæåí, åñëè â çâåíå íà êàêèõ-ëèáî ÷àñòîòàõ ñóùåñòâóåò âîñïîëíåíèå ýíåðãèè, íå òîëüêî êîìïåíñèðóþùåå, íî è ïðåâûøàþùåå ïðîèñõîäÿùèå â íåì ïîòåðè.  êîëåáàòåëüíûõ êîíòóðàõ ýòî ïðîèñõîäèò çà ñ÷åò îáìåíà ýíåðãèåé ìåæäó êîíäåíñàòîðîì è êàòóøêîé èíäóêòèâíîñòè; â àêòèâíûõ RÑ-ôèëüòðàõ (ñì. ðèñ. 4.13) çà ñ÷åò ïåðåäà÷è ÷àñòè íàïðÿæåíèÿ ñ âûõîäà ÎÓ íà åãî âõîä, êîòîðàÿ, ñóììèðóÿñü ñî âõîäíûì, ïîâûøàåò âûõîäíîå íàïðÿæåíèå ôèëüòðà (ââåäåíèå ïîëîæèòåëüíîé îáðàòíîé ñâÿçè). Åñëè ïåðåäàâàòü íåáîëüøóþ ÷àñòü ýíåðãèè, òðåáóåìóþ òîëüêî äëÿ êîìïåíñàöèè ïîòåðü, òî àìïëèòóäíî-÷àñòîòíàÿ õàðàêòåðèñòèêà ôèëüòðà â ïîëîñå ïðîïóñêàíèÿ âûðàâíèâàåòñÿ, ñòðåìÿñü ñòàòü ìàêñèìàëüíî ïëîñêîé; åñëè äîáàâëÿåìóþ ýíåðãèþ óâåëè÷èòü, òî ïðîèñõîäèò ïåðåêîìïåíñàöèÿ è íà À×Õ ôèëüòðà ïîÿâëÿåòñÿ ïîäúåì, íàïîìèíàþùèé ÷àñòîòíóþ õàðàêòåðèñòèêó ðåçîíàíñíîãî êîíòóðà. Äëÿ êîëåáàíèé ñ ÷àñòîòàìè, ïîïàäàþùèìè â ïîëîñó çàäåðæàíèÿ, îñëàáëåíèå â òàêîì ôèëüòðå îïðåäåëÿåòñÿ íå òîëüêî ñíèæåíèåì êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è
104
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
à
á
Ðèñ. 4.13
RÑ-öåïè, íî è óìåíüøåíèåì àìïëèòóäû êîëåáàíèÿ íà âõîäå ÎÓ, ïîëó÷àåìîãî ñóììèðîâàíèåì âõîäíîãî è ÷àñòè âûõîäíîãî ñèãíàëà, êîòîðûå òåïåðü îêàçûâàþòñÿ íå ñèíôàçíûìè è ïåðåñòàþò ñêëàäûâàòüñÿ (äåéñòâèå ïîëîæèòåëüíîé îáðàòíîé ñâÿçè ïðåêðàùàåòñÿ). Ðàññìîòðèì ïîäðîáíåå ïðîèñõîäÿùèå ïðîöåññû íà ïðèìåðå àêòèâíîãî RÑ-ôèëüòðà íèæíèõ ÷àñòîò, ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà êîòîðîãî ïðèâåäåíà íà ðèñ. 4.13,à. Çäåñü ïåðåäà÷à ÷àñòè âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ ñ âûõîäà ÎÓ â öåïü åãî íåèíâåðòèðóþùåãî âõîäà îñóùåñòâëÿåòñÿ ÷åðåç êîíäåíñàòîð Ñ1. Êàê áóäåò ïîêàçàíî â ãëàâå 6, êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è òàêîãî óñèëèòåëÿ (îõâà÷åííîãî ïîëîæèòåëüíîé îáðàòíîé ñâÿçüþ) ìîæåò áûòü ðàññ÷èòàí ïî ôîðìóëå: Kb = K/(1 KbC). Çäåñü bC êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è öåïè îáðàòíîé ñâÿçè, K êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ óñèëèòåëÿ, êîòîðûé îõâàòûâàþò ýòîé ñâÿçüþ. Íà ðèñ. 4.13,à îí âûäåëåí øòðèõàìè è ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé íåèíâåðòèðóþùèé óñèëèòåëü íà áàçå ÎÓ ñ êîýôôèöèåíòîì ïåðåäà÷è (3.2): K0 = 1 + R3/R4, íà âõîäå êîòîðîãî âêëþ÷åíà RÑ-öåïü (R2, Ñ2). Òîãäà K = (Z2/ZÂÕ)K0, à âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå óñèëèòåëÿ ZÂÕ = R2 + Z2, ãäå Z2 = 1/jwÑ2. Êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è öåïè îáðàòíîé ñâÿçè (bÑ) ïðåäñòàâëåí äåëèòåëåì íàïðÿæåíèÿ, íèæíåå ïëå÷î êîòîðîãî îïðåäåëÿåòñÿ ïàðàëëåëüíûì ñîåäèíåíèåì ZÂÕ è R1 (ñ÷èòàåì, ÷òî ñèãíàë íà âõîä ôèëüòðà ïîäàåòñÿ îò èäåàëüíîãî ãåíåðàòîðà ÝÄÑ ñ Rà = 0); à âåðõíåå êîíäåíñàòîðîì Ñ1. Òîãäà
24 3
11 2 23 5611 1 2 23 7 8 11 2 23 5611 1 2 23 7 1 2 1
ãäå Z1 = 1/jwÑ1. Ìåæäó âõîäîì ôèëüòðà è âõîäîì óñèëèòåëÿ, îõâà÷åííîãî îáðàòíîé ñâÿçüþ, âêëþ÷åí åùå îäèí äåëèòåëü
ÃËÀÂÀ 4. ÈÇÁÈÐÀÒÅËÜÍÛÅ ×ÅÒÛÐÅÕÏÎËÞÑÍÈÊÈ
105
íàïðÿæåíèÿ, íèæíåå ïëå÷î êîòîðîãî ñîñòîèò èç ïàðàëëåëüíîãî ñîåäèíåíèÿ êîíäåíñàòîðà Ñ1 è ZÂÕ, à âåðõíåå èç ðåçèñòîðà R1. Åãî êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è
21 2
1 1 1 23 451 1 1 1 23 6 7 1 1 1 23 451 1 1 1 23 6 1 31
Îáùèé êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è ôèëüòðà KÔ(jw) = UÂÛÕ Ô/UÂÕ Ô = = K1Kb. Ïîäñòàâëÿÿ ñþäà ñîîòâåòñòâóþùèå çíà÷åíèÿ, ïîëó÷èì: KÔ = K0/[R1ZÂÕ/Z1Z2 + R1/Z2 + ZÂÕ/Z2 K0R1/Z1]. Çàìåíèì, êàê è ðàíüøå, jw íà ð è íàéäåì íîðìèðîâàííóþ À×Õ ôèëüòðà: yÔ = KÔ/K0. Òîãäà yÔ = 1/{ð2Ñ1Ñ2R1R2 + ð[Ñ2R1 + Ñ2R2 + + Ñ1R1(1 K0)] + 1}. Ñðàâíèâàÿ åå ñ (4.6), âèäèì, ÷òî ñîáñòâåííàÿ ÷àñòîòà çâåíà âòîðîãî ïîðÿäêà 11 2 2 1213 22 23 4 à âåëè÷èíà 2 1 1 1 21 2 1 1 22 2 42 3 3 5 12 22 6 3 4 12 22 12 21 1 1 21 Åñëè îáîçíà÷èòü Ñ2/Ñ1 = m, à R2/R1 = n, òî
31
12 2 132 2 45 2 4 3 41
Ïðè m = n = 1 äîáðîòíîñòü Q = 1/(3 K0), à çíà÷èò, K0 äîëæåí áûòü ìåíüøå 3, èíà÷å ïîëó÷èì Q = ¥, ÷òî îçíà÷àåò ñàìîâîçáóæäåíèå. Íà ðèñ. 4.13,á ïðèâåäåíû ãðàôèêè íîðìèðîâàííîé ÷àñòîòíîé õàðàêòåðèñòèêè ðàññìîòðåííîãî ôèëüòðà yÔ(w/w0), ðàññ÷èòàííûå ïðè ðàçëè÷íûõ çíà÷åíèÿõ Q. Òàì æå äëÿ ñðàâíåíèÿ ïîêàçàíà À×Õ èäåàëüíîãî äâóõçâåííîãî RÑ-ôèëüòðà, ñîÐèñ. 4.14 ñòàâëåííîãî èç òåõ æå êîìïîíåíòîâ (îáîçíà÷åííîãî íà ðèñóíêå RC). Èç ðàññìîòðåíèÿ ãðàôèêîâ âèäíî, ÷òî ïðè Q = 0,707 À×Õ ïîëó÷àåòñÿ ìàêñèìàëüíî ïëîñêîé; ïðè Q = 1 ïîäúåì ñîñòàâëÿåò 15%; ïðè Q = 2 ïðåâûøàåò â 2 ðàçà. Ñ óâåëè÷åíèåì Q ôîðìà À×Õ âñå áîëüøå íà÷èíàåò íàïîìèíàòü ÷àñòîòíóþ õàðàêòåðèñòèêó êîëåáàòåëüíîãî êîíòóðà. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ õàðàêòåðèñòèêè, áëèçêîé
106
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
ê ðåçîíàíñíîé, â àêòèâíûé ôèëüòð ââîäÿò îäíîâðåìåííî RÑ-öåïè, âêëþ÷åííûå êàê ÔÍ× (R1Ñ1) è ÔÂ× (R2Ñ2) ðèñ. 4.14.  òàêîì ôèëüòðå ïðè óõîäå ñ ÷àñòîòû ìàêñèìóìà (êîìïåíñàöèè ïîòåðü) âûõîäíîå íàïðÿæåíèå óìåíüøàåòñÿ ëèáî çà ñ÷åò äåéñòâèÿ ÔÂ×, ëèáî çà ñ÷åò ÔÍ×, ñëåäîâàòåëüíî, çäåñü ðåàëèçóåòñÿ çâåíî ïîëîñîâîãî ôèëüòðà. Âîñïîëüçîâàâøèñü èçëîæåííîé âûøå ìåòîäèêîé, ìîæíî ïîêàçàòü, ÷òî ïðè R1 = R2 = R5 = R è Ñ1 = Ñ2 = Ñ äëÿ íåãî 11 2 2 3 12 4 1 1 1 234 2 2 56 KÊÐ = = K/(4 K), à êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è ôèëüòðà KÔ(p) = = pw0KÊÐ/Q(p2 + pw0/Q + w02) [4]. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. 2. 3. 4.
Êàêèå çâåíüÿ íàçûâàþòñÿ çâåíüÿìè âòîðîãî ïîðÿäêà?  ÷åì îñîáåííîñòü èõ ïîñòðîåíèÿ? Íàðèñóéòå ïðèíöèïèàëüíóþ ñõåìó àêòèâíîãî ÔÍ×. Ðàññêàæèòå, êàê îïðåäåëèòü åãî êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è.
ÃËÀÂÀ ÏßÒÀß
ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÓÑÈËÈÒÅËÈ
Óñèëèòåëåì ýëåêòðè÷åñêèõ êîëåáàíèé íàçûâàåòñÿ óñòðîéñò-
âî, êîòîðîå çà ñ÷åò ýíåðãèè èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ ôîðìèðóåò â íàãðóçêå íîâîå êîëåáàíèå, ÿâëÿþùååñÿ ïî ôîðìå áîëåå èëè ìåíåå òî÷íîé êîïèåé âõîäíîãî óñèëèâàåìîãî êîëåáàíèÿ, íî ïðåâîñõîäÿùåå åãî ïî íàïðÿæåíèþ, òîêó èëè ìîùíîñòè. Óñèëèòåëüíûå óñòðîéñòâà ÿâëÿþòñÿ îäíèìè èç íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûõ ðàäèîýëåêòðîííûõ óñòðîéñòâ: ïðàêòè÷åñêè íåò òàêîãî ðàäèîòåõíè÷åñêîãî îáîðóäîâàíèÿ, â êîòîðîì áû îíè íå èñïîëüçîâàëèñü â ðàäèîïðèåìíèêàõ, ðàäèîïåðåäàò÷èêàõ, èñòî÷íèêàõ ïèòàíèÿ, ìàãíèòîôîíàõ, ñâÿçíîé àïïàðàòóðå è ò. ä. Ñóùåñòâóåò íåñêîëüêî ïðèçíàêîâ, ïî êîòîðûì êëàññèôèöèðóþòñÿ óñèëèòåëè: ïî ôîðìå óñèëèâàåìûõ ñèãíàëîâ, ïî òèïó óñèëèòåëüíûõ (àêòèâíûõ) ýëåìåíòîâ, ÷èñëó êàñêàäîâ, îáëàñòè ïðèìåíåíèÿ è ò. ä. Îäíàêî ñõåìîòåõíèêà èõ ïîñòðîåíèÿ íàèáîëåå çíà÷èòåëüíî îòëè÷àåòñÿ â çàâèñèìîñòè îò îáëàñòè óñèëèâàåìûõ ÷àñòîò. Åñëè ðàáî÷èé äèàïàçîí ÷àñòîò óñèëèòåëåé íà÷èíàåòñÿ ñ íóëÿ ãåðö (ïîñòîÿííîãî òîêà), òî îíè íàçûâàþòñÿ óñèëèòåëÿìè ïîñòîÿííîãî òîêà (ÓÏÒ); åñëè íàõîäèòñÿ ìåæäó 20 Ãö è 20 êÃö, òî ýòî óñèëèòåëè çâóêîâûõ ÷àñòîò (ÓÇ×); ïðè áîëåå âûñîêèõ ÷àñòîòàõ, êîãäà äèàïàçîí óñèëèâàåìûõ ÷àñòîò îêàçûâàåòñÿ ìíîãî ìåíüøå, ÷åì öåíòðàëüíàÿ ÷àñòîòà ýòîãî äèàïàçîíà, óñèëèòåëè ðàäèî÷àñòîòû (ÓÐ×) è ò. ä. Äëÿ îöåíêè êà÷åñòâà ðàáîòû óñèëèòåëåé ïîëüçóþòñÿ ðÿäîì õàðàêòåðèñòèê è ïàðàìåòðîâ, ðàññìîòðèì îñíîâíûå èç íèõ. Êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ íàïðÿæåíèÿ ïîêàçûâàåò, âî ñêîëüêî ðàç íàïðÿæåíèå íà âûõîäå óñèëèòåëÿ (UÂÛÕ) áîëüøå, ÷åì íà âõîäå (UÂÕ): KU = UÂÛÕ/UÂÕ.
108
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
Îáû÷íî ýòîò ïàðàìåòð íàçûâàþò ïðîñòî êîýôôèöèåíòîì óñèëåíèÿ è îáîçíà÷àþò áåç èíäåêñà. Êðîìå íåãî ïîëüçóþòñÿ êîýôôèöèåíòîì óñèëåíèÿ ïî òîêó KI = IÂÛÕ/IÂÕ è ìîùíîñòè KÐ = PÂÛÕ/PÂÕ. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ äîñòàòî÷íîãî óñèëåíèÿ óñèëèòåëè ïî÷òè âñåãäà ñòðîÿòñÿ èç íåñêîëüêèõ êàñêàäîâ, ñëåäóþùèõ äðóã çà äðóãîì.  ýòîì ñëó÷àå èõ êîýôôèöèåíòû óñèëåíèÿ ïåðåìíîæàþòñÿ. Àìïëèòóäíî-÷àñòîòíàÿ (êðàòêî ÷àñòîòíàÿ) õàðàêòåðèñòèêà (À×Õ) è ïîëîñà ïðîïóñêàíèÿ (ãëàâà 4), ïðè÷åì èíîãäà óðîâåíü îòñ÷åòà ïîëîñû ïðîïóñêàíèÿ d íå ðàâåí 0,707 è çàäàåòñÿ â ëîãàðèôìè÷åñêèõ åäèíèöàõ äåöèáåëàõ (äÁ): d(ÄÁ) = 20 lg (d). Òàê êàê d < 1, òî d(ÄÁ) < 0. Âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå óñèëèòåëÿ âíóòðåííåå ñîïðîòèâëåíèå ìåæäó åãî âõîäíûìè çàæèìàìè ZÂÕ = UÂÕ/IÂÕ. Î÷åíü ÷àñòî, îñîáåííî íà âûñîêèõ ÷àñòîòàõ, âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå èìååò åìêîñòíóþ ñîñòàâëÿþùóþ, ïîýòîìó ZÂÕ çàäàåòñÿ â âèäå ïàðàëëåëüíîãî ñîåäèíåíèÿ ðåçèñòèâíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ RÂÕ è åìêîñòè ÑÂÕ. Âûõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå óñèëèòåëÿ âíóòðåííåå ñîïðîòèâëåíèå ìåæäó åãî âûõîäíûìè çàæèìàìè ZÂÛÕ = DUÂÛÕ/DIÂÛÕ. Îíî íå òîæäåñòâåííî ñîïðîòèâëåíèþ íàãðóçêè ZÍ. Ïî îòíîøåíèþ ê íàãðóçêå óñèëèòåëü ìîæåò áûòü ïðåäñòàâëåí ýêâèâàëåíòíûì ãåíåðàòîðîì ÝÄÑ (ðèñ. 2.1,á) ñ âíóòðåííèì ñîïðîòèâëåíèåì ZÂÛÕ, êîòîðîå âëèÿåò íà âåëè÷èíó âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ óñèëèòåëÿ UÂÛÕ è ïîêàçûâàåò, íàñêîëüêî èçìåíèòñÿ ýòî íàïðÿæåíèå DUÂÛÕ ïðè èçìåíåíèè âûõîäíîãî òîêà óñèëèòåëÿ DIÂÛÕ, âûçâàííîì, íàïðèìåð, èçìåíåíèåì ñîïðîòèâëåíèÿ íàãðóçêè ZÍ. Àìïëèòóäíàÿ õàðàêòåðèñòèêà çàâèñèìîñòü àìïëèòóäû âûõîäíîãî ïåðåìåííîãî íàïðÿæåíèÿ îò àìïëèòóäû âõîäíîãî, èçìåðåííàÿ ïðè íåèçìåííîé ÷àñòîòå (êàê ïðàâèëî 1 êÃö). Ðåàëüíàÿ õàðàêòåðèñòèêà íà íèæíåì è âåðõíåì ó÷àñòêàõ èìååò çàãèáû (ðèñ. 5.1). Âåðõíèé îáóñëîâëåí êîíå÷íîé âåëè÷èíîé EÏ, íèæíèé íàëè÷èåì â óñèëèòåëå ñîáñòâåííûõ øóìîâ è ïîìåõ. Îòíîøåíèå íàèáîëüøåãî âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ óñèëèòåëÿ (UÂÛÕ2) ê íàèìåíüøåìó (UÂÛÕ1) â ïðåäåëàõ ëèíåéíîé ÷àñòè àìïëèòóäíîé õàðàêòåðèñòèêè íàçûâàåòñÿ äèíàìè÷åñêèì äèàïàçîíîì óñèëèòåëÿ: D = UÂÛÕ2/UÂÛÕ1. Íåëèíåéíûå èñêàæåíèÿ õàðàêòåðèçóþò íåòî÷íîñòü âîñïðîèçâåäåíèÿ íà âûõîäå óñèëèòåëÿ ôîðìû ñèíóñîèäàëüíîãî
ÃËÀÂÀ 5. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÓÑÈËÈÒÅËÈ
109
êîëåáàíèÿ, ïîäàííîãî íà åãî âõîä. Ïðèçíàê íåëèíåéíûõ èñêàæåíèé ïîÿâëåíèå â ñïåêòðå âûõîäíîãî êîëåáàíèÿ ñîñòàâëÿþùèõ ñ íîâûìè ÷àñòîòàìè, îòñóòñòâóþùèìè âî âõîäíîì ñèãíàëå. Ýòè ÷àñòîòû êðàòíû ÷àñòîòå âõîäíîãî ñèíóñîèäàëüíîãî êîëåáàíèÿ è, êàê óêàçûâàëîñü â ðàçäåëå 1.5, Ðèñ. 5.1 íàçûâàþòñÿ âûñøèìè ãàðìîíèêàìè. Åñëè íàïðÿæåíèÿ ïåðâîé è âûñøèõ ãàðìîíèê âûõîäíîãî êîëåáàíèÿ îáîçíà÷èòü ÷åðåç U1 è U2, U3,
, òî êîýôôèöèåíò ãàðìîíèê: 12 1 2 11 5 2 52 41 5 2 5 3 23 6 Îí ÿâëÿåòñÿ êîëè÷åñòâåííîé ìåðîé íåëèíåéíûõ èñêàæåíèé óñèëèòåëÿ. Êîýôôèöèåíò ïîëåçíîãî äåéñòâèÿ (ÊÏÄ) óñèëèòåëÿ õàðàêòåðèçóåò ýôôåêòèâíîñòü ðàñõîäîâàíèÿ ìîùíîñòè ïèòàíèÿ è ïîêàçûâàåò, êàêàÿ ÷àñòü ïîòðåáëÿåìîé ìîùíîñòè ïèòàíèÿ ÐÏÈÒ èñïîëüçîâàíà äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ â íàãðóçêå ìîùíîñòè ïîëåçíîãî ñèãíàëà ÐÂÛÕ, à çíà÷èò, ÊÏÄ h = ÐÂÛÕ/ÐÏÈÒ. Î÷åíü ÷àñòî, îñîáåííî â ñòàöèîíàðíîé àïïàðàòóðå, ÊÏÄ ïîâûøàþò íå èç-çà íåîáõîäèìîñòè ñíèæåíèÿ ïîòðåáëÿåìîé ìîùíîñòè, à ðàäè ñíèæåíèÿ ìîùíîñòè ïîòåðü â àêòèâíûõ (óñèëèòåëüíûõ) ýëåìåíòàõ (ÐÏÎÒ = ÐÏÈÒ ÐÂÛÕ = ÐÏÈÒ [1 h]), ÷òîáû èñïîëüçîâàòü àïïàðàòóðó áåç ñèñòåì ïðèíóäèòåëüíîãî îõëàæäåíèÿ (âåíòèëÿòîðîâ, âîäÿíîãî îõëàæäåíèÿ è ò. ä.). Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. ×òî íàçûâàåòñÿ óñèëèòåëåì ýëåêòðè÷åñêèõ êîëåáàíèé? 2. Ïî êàêèì ïðèçíàêàì êëàññèôèöèðóþòñÿ óñèëèòåëè? 3. Ðàññêàæèòå, êàêèìè îñíîâíûìè ïîêàçàòåëÿìè îöåíèâàåòñÿ ðàáîòà óñèëèòåëÿ.
5.1. ÏÐÈÍÖÈÏ ÐÀÁÎÒÛ ÓÑÈËÈÒÅËß Ìèíèìàëüíàÿ ÷àñòü óñèëèòåëÿ, ñîõðàíÿþùàÿ åãî ôóíêöèè, íàçûâàåòñÿ óñèëèòåëüíûì êàñêàäîì. Ïðèíöèï ðàáîòû óñèëèòåëüíîãî êàñêàäà ìîæåò áûòü óïðîùåííî ïîÿñíåí ñ ïîìîùüþ ñõåìû, èçîáðàæåííîé íà ðèñ. 5.2,à.
110
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
à
á
Ðèñ. 5.2
à
â
ã á
ä
Ðèñ. 5.3
Çäåñü ê èñòî÷íèêó (áàòàðåå) ïèòàíèÿ ñ ïîñòîÿííûì íàïðÿæåíèåì EÏ ïîäêëþ÷åíà öåïü, ñîñòîÿùàÿ èç ñîïðîòèâëåíèÿ àêòèâíîãî (óñèëèòåëüíîãî) ýëåìåíòà RÀÝ, óïðàâëÿåìîãî âõîäíûì íàïðÿæåíèåì uÂÕ, è ðåçèñòîðà íàãðóçêè RÍ. Íàïðÿæåíèå EÏ ðàñïðåäåëÿåòñÿ ìåæäó íèìè ïðîïîðöèîíàëüíî èõ ñîïðîòèâëåíèÿì. Åñëè âåëè÷èíó RÀÝ óìåíüøèòü, òî íàïðÿæåíèå íà RÍ óâåëè÷èâàåòñÿ è íàîáîðîò. Òàêèì îáðàçîì, íàïðÿæåíèå íà íàãðóçêå èçìåíÿåòñÿ â ïðåäåëàõ îò íóëÿ, êîãäà RÀÝ ® ¥, äî íàïðÿæåíèÿ èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ, êîãäà RÀÝ = 0 è RÍ ïîäêëþ÷åí ïàðàëëåëüíî ÅÏ. Ñëåäîâàòåëüíî, ìàêñèìàëüíîå íàïðÿæåíèå, âûäåëÿþùååñÿ íà RÍ, íå ìîæåò ïðåâîñõîäèòü EÏ.  ýòîì ñëó÷àå äëÿ íåèñêàæåííîãî óñèëåíèÿ äâóõïîëÿðíîãî ñèììåòðè÷-
ÃËÀÂÀ 5. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÓÑÈËÈÒÅËÈ
111
íîãî ñèãíàëà (íàïðèìåð, ñèíóñîèäàëüíîãî) íåîáõîäèìî, ÷òîáû â èñõîäíîì ñîñòîÿíèè (ïðè îòñóòñòâèè ñèãíàëà) íàïðÿæåíèÿ íà RÍ è RÀÝ áûëè ðàâíû ìåæäó ñîáîé, à çíà÷èò, ìàêñèìàëüíî äîñòèæèìàÿ àìïëèòóäà ïåðåìåííîãî âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ UmÊ íå ìîæåò ïðåâûøàòü EÏ/2 (ðèñ. 5.2,á).  êà÷åñòâå óñèëèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ ïðèìåíÿþòñÿ áèïîëÿðíûå èëè ïîëåâûå òðàíçèñòîðû, à â ñòàðîé àïïàðàòóðå ýëåêòðîííûå ëàìïû. Ïðîñòåéøàÿ ñõåìà êàñêàäà (ðèñ. 5.3,à) ìîæåò áûòü ïîëó÷åíà íà îñíîâå ðèñ. 5.2,à ïðè çàìåíå â íåì àêòèâíîãî ýëåìåíòà (RÀÝ) áèïîëÿðíûì òðàíçèñòîðîì VT. Êàê èçâåñòíî, äëÿ ðàáîòû òðàíçèñòîðà â àêòèâíîì (óñèëèòåëüíîì) ðåæèìå åãî áàçà-ýìèòòåðíûé ïåðåõîä äîëæåí áûòü ñìåùåí â ïðÿìîì íàïðàâëåíèè, ïîýòîìó âî âõîäíóþ öåïü òðàíçèñòîðà êðîìå èñòî÷íèêà âõîäíîãî ñèãíàëà (uÂÕ) âêëþ÷àþò áàòàðåþ ñìåùåíèÿ UÑÌ. Âõîäíàÿ õàðàêòåðèñòèêà òðàíçèñòîðà (ðèñ. 5.3,á) íåëèíåéíà. Äëÿ óìåíüøåíèÿ âíîñèìûõ ýòîé íåëèíåéíîñòüþ èñêàæåíèé òîê òðàíçèñòîðà (áàçû, ýìèòòåðà, êîëëåêòîðà) â èñõîäíîé ðàáî÷åé òî÷êå (òî åñòü áåç ïîäà÷è ñèãíàëà, íàïðèìåð, iÁÐ íà ðèñ. 5.3,á) âûáèðàþò íà ëèíåéíîì ó÷àñòêå õàðàêòåðèñòèêè. Äëÿ ýòîãî åãî âåëè÷èíó çàäàþò çíà÷èòåëüíî áîëüøå ìàêñèìàëüíî âîçìîæíîé àìïëèòóäû ïåðåìåííîé ñîñòàâëÿþùåé óñèëèâàåìîãî ñèãíàëà, ïîäàâàÿ ìåæäó áàçîé è ýìèòòåðîì òðàíçèñòîðà íàïðÿæåíèå ñìåùåíèÿ ñîîòâåòñòâóþùåé âåëè÷èíû UÑÌ. Äëÿ óìåíüøåíèÿ âëèÿíèÿ íåñòàáèëüíîñòè ðàáîòû îäíîãî êàñêàäà íà äðóãîé (íàïðèìåð, ïðè èçìåíåíèè òåìïåðàòóðû îêðóæàþùåé ñðåäû, ñòàðåíèè òðàíçèñòîðà è ò. ä.) íà âõîä êàæäîãî èç êàñêàäîâ îáû÷íî ïîäàþò òîëüêî ïåðåìåííóþ (ïîëåçíóþ) ñîñòàâëÿþùóþ ñèãíàëà è íå ïðîïóñêàþò ïîñòîÿííóþ, ñïîñîáíóþ èçìåíÿòü ðåæèì òðàíçèñòîðà â èñõîäíîé ðàáî÷åé òî÷êå. Äëÿ ýòîãî ââîäÿò ðàçäåëèòåëüíûé êîíäåíñàòîð CÐ, ñîïðîòèâëåíèå êîòîðîãî äëÿ ïåðåìåííîé ñîñòàâëÿþùåé ñèãíàëà â ðàáî÷åì äèàïàçîíå ÷àñòîò ïðåíåáðåæèìî ìàëî. Êîíäåíñàòîðû íå ïåðåäàþò ïîñòîÿííîå íàïðÿæåíèå, ïîýòîìó âûõîäíûå çàæèìû óñèëèòåëÿ, ê êîòîðûì ïîäêëþ÷åíà ïîëåçíàÿ íàãðóçêà, îêàçûâàþòñÿ íàèáîëåå ïðîñòî îòäåëåííûìè îò öåïåé, îáåñïå÷èâàþùèõ ðàáîòîñïîñîáíîñòü òðàíçèñòîðà.  ñâÿçè ñ ýòèì íà ðèñ. 5.3,à îáîçíà÷åíèå ðåçèñòîðà, âêëþ÷åííîãî ìåæäó èñòî÷íèêîì ïèòàíèÿ ÅÏ è àêòèâíûì ýëåìåíòîì, èçìåíåíî
112
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
ñ RÍ (ðèñ. 5.2,à) íà RÊ (êîëëåêòîðà). Àíàëîãè÷íûå êîíäåíñàòîðû âêëþ÷àþò è íà âõîäå êàñêàäà, îáåñïå÷èâàÿ åãî ñâÿçü ñ èñòî÷íèêîì âõîäíîãî ñèãíàëà, íî ïðåäîòâðàùàÿ èçìåíåíèå ðàáî÷åé òî÷êè òðàíçèñòîðà. Îáîçíà÷èì â èñõîäíîé ðàáî÷åé òî÷êå (òî åñòü ïðè îòñóòñòâèè ñèãíàëà) òîê êîëëåêòîðà ÷åðåç IÊÐ, à íàïðÿæåíèå ìåæäó êîëëåêòîðîì è ýìèòòåðîì UÊÐ. Òîãäà: UÊÐ = EÏ IÊÐRÊ.
(5.1)
Ïóñòü íà âõîä óñèëèòåëÿ ïîäàåòñÿ ñèíóñîèäàëüíîå óñèëèâàåìîå íàïðÿæåíèå uÂÕ = UmÂÕ sin wt. Ïîëíîå íàïðÿæåíèå íà áàçå òðàíçèñòîðà áóäåò èìåòü âèä, ïîêàçàííûé çàøòðèõîâàííûìè ïëîùàäÿìè ïîä ãðàôèêàìè íà ðèñ. 5.3,â. Ïîëíûé òîê êîëëåêòîðà iÊ = IÊÐ + ImÊ sin wt. Îí èçìåíÿåòñÿ îêîëî çíà÷åíèÿ òîêà â ðàáî÷åé òî÷êå (IÊÐ) ïî çàêîíó ñèíóñà (ðèñ. 5,3,ã). Íàïðÿæåíèå íà êîëëåêòîð-ýìèòòåðíîì ïðîìåæóòêå uÊ = EÏ RÊiÊ = UÊÐ UmÊ sin wt (ñì. ðèñ. 5.3,ä). Åãî ïåðåìåííàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ ÿâëÿåòñÿ óñèëåííûì èëè âûõîäíûì íàïðÿæåíèåì uÂÛÕ = UmÊ sin wt, â êîòîðîì àìïëèòóäà UmÊ = ImÊRÊ. Èç ñðàâíåíèÿ ðèñ. 5.3,â è ðèñ. 5.3,ä âèäíî, ÷òî ïîëîæèòåëüíîé ïîëóâîëíå âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ ñîîòâåòñòâóåò îòðèöàòåëüíàÿ ïîëóâîëíà âûõîäíîãî, òî åñòü êàñêàä ñ îáùèì ýìèòòåðîì (ÎÝ) ÿâëÿåòñÿ èíâåðòèðóþùèì ïåðåâîðà÷èâàåò ôàçó íàïðÿæåíèÿ íà 180°. Êàñêàäû áûâàþò ïðåäâàðèòåëüíîãî óñèëåíèÿ è îêîíå÷íûå (íàïðèìåð, óñèëèòåëè ìîùíîñòè). Ïåðâûå ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ óâåëè÷åíèÿ âõîäíîãî ñèãíàëà (íàïðÿæåíèå êîòîðîãî ìîæåò ñîñòàâëÿòü åäèíèöû ìêÂ) äî çíà÷åíèé, íåîáõîäèìûõ äëÿ ðàáîòû îêîíå÷íîãî êàñêàäà (åäèíèöû âîëüò), è ôîðìèðîâàíèÿ çàäàííîé ÷àñòîòíîé õàðàêòåðèñòèêè óñèëèòåëÿ. Îêîíå÷íûå êàñêàäû îáåñïå÷èâàþò òðåáóåìóþ èíòåíñèâíîñòü êîëåáàíèÿ â íàãðóçêå (ãðîìêîãîâîðèòåëå, òðàíñëÿöèîííîé ñåòè, ìîäóëÿòîðå êèíåñêîïà è ò. ä.).  çàâèñèìîñòè îò ýëåìåíòà ñâÿçè, ñ ïîìîùüþ êîòîðîãî ê àêòèâíîìó ýëåìåíòó RÀÝ (ñì. ðèñ. 5.2,à) ïîäêëþ÷àþò íàãðóçêó RÍ, êàñêàäû ïîäðàçäåëÿþòñÿ íà òðàíñôîðìàòîðíûå ïðè ñâÿçè ñ ïîìîùüþ òðàíñôîðìàòîðà, ðåçîíàíñíûå ñ ïîìîùüþ êîëåáàòåëüíîãî êîíòóðà è äð.; åñëè ìåæäó àêòèâíûì ýëåìåíòîì è èñòî÷íèêîì ïèòàíèÿ âêëþ÷åí ðåçèñòîð, òî òàêèå êàñêàäû íàçûâàþòñÿ ðåçèñòîðíûìè.
113
ÃËÀÂÀ 5. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÓÑÈËÈÒÅËÈ
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Ïîÿñíèòå ïðèíöèï ðàáîòû óñèëèòåëÿ. 2. Êàêîâà ìàêñèìàëüíî âîçìîæíàÿ àìïëèòóäà íàïðÿæåíèÿ íà RÍ ïðè ñèíóñîèäàëüíîé ôîðìå êîëåáàíèé? 3. Èçîáðàçèòå è ïîÿñíèòå äèàãðàììû íàïðÿæåíèé è òîêîâ â ñõåìå ðèñ. 5.3,à. 4. Äëÿ ÷åãî íóæåí ðàçäåëèòåëüíûé êîíäåíñàòîð CÐ?
5.2. ÑÕÅÌÛ ÑÌÅÙÅÍÈß È ÑÒÀÁÈËÈÇÀÖÈÈ ÐÀÁÎ×ÅÉ ÒÎ×ÊÈ ÁÈÏÎËßÐÍÎÃÎ ÒÐÀÍÇÈÑÒÎÐÀ Êàê óæå óêàçûâàëîñü, äëÿ óìåíüøåíèÿ íåëèíåéíûõ èñêàæåíèé âûõîäíîãî êîëåáàíèÿ íà âõîä òðàíçèñòîðà íóæíî ïîäàâàòü ñìåùåíèå. Íà ñõåìå ðèñ. 5.3,à äëÿ ýòîãî èñïîëüçîâàíà îòäåëüíàÿ áàòàðåÿ UÑÌ. Îäíàêî íà ïðàêòèêå ýòî íåóäîáíî, è äëÿ ïîäà÷è ñìåùåíèÿ îáû÷íî èñïîëüçóþò íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ EÏ.  ïðîñòåéøåì âèäå íà÷àëüíîå ñìåùåíèå ìîæåò áûòü çàäàíî ïî ñõåìå ðèñ. 5.4,à. Çäåñü îò EÏ ÷åðåç ïîñëåäîâàòåëüíî ñîåäèíåííûå ðåçèñòîð R1 è áàçà-ýìèòòåðíûé ïåðåõîä òðàíçèñòîðà ïðîòåêàåò òîê, êîòîðûé ñîçäàåò íà ïîñëåäíåì íàïðÿæåíèå, ðàâíîå UÑÌ. Ñõåìà ïðîñòà, íî íå îáåñïå÷èâàåò ñòàáèëüíîñòè òîêà êîëëåêòîðà. Îñíîâíûå õàðàêòåðèñòèêè è ïîêàçàòåëè òðàíçèñòîðîâ ó ðàçëè÷íûõ îáðàçöîâ èçìåíÿþòñÿ â øèðîêèõ ïðåäåëàõ, à òàêæå ñèëüíî çàâèñÿò îò òåìïåðàòóðû è ñòàðåíèÿ. Âîçíèêàþùèå ïðè ýòîì îòêëîíåíèÿ êîëëåêòîðíûõ òîêîâ ìîãóò ïðèâîäèòü íå òîëüêî ê çíà÷èòåëüíîìó èçìåíåíèþ óñèëèòåëüíûõ ñâîéñòâ òðàíçèñòîðà, à
â
á
Ðèñ. 5.4
114
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
íî è âñëåäñòâèå òåïëîâîãî ïðîáîÿ ê åãî ïîëíîìó ðàçðóøåíèþ. Ïðèâåäåííàÿ íà ðèñ. 5.4,à ñõåìà íå ïîçâîëÿåò êîìïåíñèðîâàòü âîçíèêàþùèå îòêëîíåíèÿ êîëëåêòîðíîãî òîêà îò çàäàííîãî â èñõîäíîé ðàáî÷åé òî÷êå, à ïîýòîìó íå íàõîäèò øèðîêîãî ïðèìåíåíèÿ â óñèëèòåëÿõ àíàëîãîâûõ ñèãíàëîâ. Îíà íàçûâàåòñÿ íåñòàáèëèçèðîâàííîé ñõåìîé ñìåùåíèÿ. Åñëè ðåçèñòîð R1 ïîäêëþ÷èòü íå ê EÏ, à ê êîëëåêòîðó (ðèñ. 5.4,á), òî ïîÿâëÿåòñÿ âîçìîæíîñòü ñòàáèëèçàöèè ðàáî÷åé òî÷êè òðàíçèñòîðà. Äåéñòâèòåëüíî, åñëè âñëåäñòâèå êàêèõëèáî ïðè÷èí òîê êîëëåêòîðà óâåëè÷èòñÿ, òî ñîãëàñíî (5.1) íàïðÿæåíèå íà åãî êîëëåêòîð-ýìèòòåðíîì ïðîìåæóòêå óìåíüøèòñÿ. Çíà÷èò, óìåíüøèòñÿ íàïðÿæåíèå ñìåùåíèÿ UÑÌ è òîê áàçû, ÷òî ïðèâîäèò ê ïîäçàïèðàíèþ òðàíçèñòîðà è óìåíüøåíèþ êîëëåêòîðíîãî òîêà. Ýòà ñõåìà íàçûâàåòñÿ ñõåìîé êîëëåêòîðíîé ñòàáèëèçàöèè ðàáî÷åé òî÷êè. Îäíàêî äëÿ õîðîøåé ñòàáèëèçàöèè òîêà êîëëåêòîðà çäåñü òðåáóåòñÿ, ÷òîáû íà RÊ âûäåëÿëîñü íàïðÿæåíèå, ñîñòàâëÿþùåå íå ìåíåå 80% ÅÏ [5], ÷òî îáû÷íî íåïðèåìëåìî. Ïîýòîìó íàèáîëåå øèðîêîå ðàñïðîñòðàíåíèå ïîëó÷èëà ñõåìà ýìèòòåðíîé ñòàáèëèçàöèè (ðèñ. 5.4,â). Çäåñü íàïðÿæåíèå ñìåùåíèÿ UÑÌ ñîçäàåòñÿ êàê ðàçíîñòü íàïðÿæåíèé íà ðåçèñòîðàõ R2 è RÝ, íàïðàâëåííûõ íàâñòðå÷ó äðóã äðóãó (UÑÌ = IR2R2 IÝÐRÝ). Íàïðÿæåíèå íà ðåçèñòîðå R2 ïðàêòè÷åñêè íå çàâèñèò îò òåìïåðàòóðû è ñòàðåíèÿ òðàíçèñòîðà, ïîýòîìó èñïîëüçóåòñÿ â êà÷åñòâå îïîðíîãî. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî òîê êîëëåêòîðà IÊÐ óâåëè÷èâàåòñÿ, òîãäà óâåëè÷èâàåòñÿ è òîê ýìèòòåðà IÝÐ. Ýòî ïðèâîäèò ê óâåëè÷åíèþ íàïðÿæåíèÿ íà RÝ, óìåíüøåíèþ UÑÌ, ïîäçàïèðàíèþ òðàíçèñòîðà, à çíà÷èò, ê óìåíüøåíèþ òîêà êîëëåêòîðà, ñòðåìÿñü âîçâðàòèòüñÿ ê åãî ïðåæíåìó çíà÷åíèþ. Äëÿ óëó÷øåíèÿ ñòàáèëèçàöèè æåëàòåëüíî, ÷òîáû èçìåíåíèå òîêà IÝÐ âûçûâàëî òàêîå èçìåíåíèå íàïðÿæåíèÿ íà RÝ, êîòîðîå ïîçâîëÿëî áû íàèáîëåå ïîëíî âîññòàíîâèòü èñõîäíîå çíà÷åíèå òîêà êîëëåêòîðà. Äëÿ ýòîãî âåëè÷èíó ðåçèñòîðà RÝ öåëåñîîáðàçíî óâåëè÷èâàòü. Îäíàêî ýòî óìåíüøàåò ìàêñèìàëüíî âîçìîæíîå çíà÷åíèå àìïëèòóäû âûõîäíîãî êîëåáàíèÿ, âûäåëÿþùåãîñÿ íà RÊ, òàê êàê òåïåðü UÊÐ ïî ñðàâíåíèþ ñ íàéäåííûì ïî (5.1) áóäåò óìåíüøåíî íà IÝÐRÝ. Ïîýòîìó âåëè÷èíó íàïðÿæåíèÿ íà RÝ âûáèðàþò, êàê ïðàâèëî, íå áîëåå 0,2 EÏ. Îáû÷íî ðåçèñòîð ýìèòòåðíîé ñòàáèëèçàöèè RÝ ïî ïåðåìåííîìó òîêó áëîêèðóþò (çàêîðà÷èâàþò) êîíäåíñàòîðîì ÑÁË,
115
ÃËÀÂÀ 5. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÓÑÈËÈÒÅËÈ
èìåþùèì áîëüøóþ åìêîñòü. Ýòî äåëàþò äëÿ òîãî, ÷òîáû âñå âõîäíîå ïåðåìåííîå íàïðÿæåíèå ïîäâîäèëîñü ê ïðîìåæóòêó áàçàýìèòòåð òðàíçèñòîðà, òî åñòü îáåñïå÷èâàëîñü íàèáîëüøåå óñèëåíèå êàñêàäà. Åìêîñòü ÑÁË äîëæíà áûòü íàñòîëüêî áîëüøîé, ÷òîáû íà íèæíåé ðàáî÷åé ÷àñòîòå âûïîëíÿëîñü óñëîâèå 5 1 11 6 22234 7 Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. ×åì îòëè÷àåòñÿ ñïîñîá ñîçäàíèÿ íàïðÿæåíèÿ ñìåùåíèÿ, ïðèâåäåííûé íà ðèñ. 5.4,à, îò ïîêàçàííîãî íà ðèñ. 5.4,á? 2. Ðàññêàæèòå î íàçíà÷åíèè ýëåìåíòîâ è ðàáîòå ñõåìû ýìèòòåðíîé ñòàáèëèçàöèè ðàáî÷åé òî÷êè (ðèñ. 5.4,â). 3. Äëÿ ÷åãî ïðåäíàçíà÷åí êîíäåíñàòîð ÑÁË?
5.3. ÖÅÏÈ ÑÌÅÙÅÍÈß Â ÊÀÑÊÀÄÀÕ ÍÀ ÏÎËÅÂÛÕ ÒÐÀÍÇÈÑÒÎÐÀÕ È ËÀÌÏÀÕ Â êàñêàäå íà ïîëåâîì òðàíçèñòîðå (ÏÒ) ñ èçîëèðîâàííûì çàòâîðîì è èíäóöèðîâàííûì êàíàëîì (ðèñ. 5.5,à) íàïðÿæåíèå ñìåùåíèÿ ñîçäàåòñÿ òàê æå, êàê è íà áèïîëÿðíîì òðàíçèñòîðå (ðèñ. 5.4,â), â âèäå ðàçíîñòè íàïðÿæåíèé íà R2 è RÈ, íàïðàâëåííûõ íàâñòðå÷ó äðóã äðóãó. Ïîýòîìó ïîääåðæàíèå çàäàííîãî çíà÷åíèÿ òîêà ñòîêà çäåñü ïðîèñõîäèò àíàëîãè÷íî ýìèòòåðíîé ñòàáèëèçàöèè ðàáî÷åé òî÷êè áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà.  êàñêàäå íà ÏÒ ñ óïðàâëÿþùèì pn-ïåðåõîäîì (ðèñ. 5.5,á) íàïðÿæåíèå ñìåùåíèÿ ñîçäàåòñÿ íà ðåçèñòîðå RÈ áëàãîäàðÿ ïðîòåêàíèþ ÷åðåç íåãî ïîñòîÿííîé ñîñòàâëÿþùåé òîêà èñòîêà. à
á
â
Ðèñ. 5.5
116
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
Ðåçèñòîð RÇ îáåñïå÷èâàåò ïîäà÷ó ýòîãî íàïðÿæåíèÿ íà ïðîìåæóòîê çàòâîðèñòîê. Òîê çàòâîðà íè÷òîæíî ìàë, ïîýòîìó ïîñòîÿííîå íàïðÿæåíèå íà RÇ ðàâíî íóëþ, è âñå íàïðÿæåíèå, âûäåëÿþùååñÿ íà RÈ, îêàçûâàåòñÿ ïðèëîæåííûì ìåæäó èñòîêîì è çàòâîðîì, ïîääåðæèâàÿ óïðàâëÿþùèé pn-ïåðåõîä â çàïåðòîì ñîñòîÿíèè. Îäíîâðåìåííî ðåçèñòîð RÈ îñóùåñòâëÿåò ñòàáèëèçàöèþ ðàáî÷åé òî÷êè òðàíçèñòîðà ïîäîáíî ýìèòòåðíîé. Äåéñòâèòåëüíî, âñÿêîå óâåëè÷åíèå òîêà èñòîêà óâåëè÷èâàåò íàïðÿæåíèå ñìåùåíèÿ çàïèðàþùåé ïîëÿðíîñòè íà RÈ, ïîäçàïèðàåò òðàíçèñòîð è óìåíüøàåò òîê ÏÒ. Òàêàÿ ñõåìà íàçûâàåòñÿ ñõåìîé èñòîêîâîé ñòàáèëèçàöèè èëè ñõåìîé ñ àâòîìàòè÷åñêèì ñìåùåíèåì. Àíàëîãè÷íî ïîñòðîåíû ñõåìû àâòîìàòè÷åñêîãî ñìåùåíèÿ äëÿ ÏÒ ñ èçîëèðîâàííûì çàòâîðîì è âñòðîåííûì êàíàëîì, à òàêæå ýëåêòðîííûõ ëàìï.  ïîñëåäíèõ (ðèñ. 5.5,â) ïîäà÷ó íà âõîäíîé ýëåêòðîä çàïèðàþùåãî íàïðÿæåíèÿ, âûäåëÿþùåãîñÿ íà RÊÀÒ, îáåñïå÷èâàåò ðåçèñòîð â öåïè óïðàâëÿþùåé ñåòêè RÑ1, íàçûâàåìûé ðåçèñòîðîì óòå÷êè. ×òîáû íå ñèëüíî øóíòèðîâàòü âõîä êàñêàäà, ðåçèñòîðû RÇ è RÑ1 (ðèñ. 5.5,á è â) äîëæíû áûòü äîñòàòî÷íî âûñîêîîìíûìè. Íî îáû÷íî èõ ñîïðîòèâëåíèÿ íå ïðåâûøàþò 1 ÌÎì, ÷òî ïîçâîëÿåò ñî÷åòàòü âûñîêîîìíîñòü ñ ïðåíåáðåæèìî ìàëûì çíà÷åíèåì ïîñòîÿííîãî íàïðÿæåíèÿ íà íèõ, ñîçäàâàåìîãî òîêîì âõîäíîãî ýëåêòðîäà. Ðåçèñòîð â öåïè ýêðàííîé ñåòêè RÝÑ ñëóæèò äëÿ ïîäà÷è íà íåå íàïðÿæåíèÿ ïèòàíèÿ. Îí ãàñèò (ïîãëîùàåò) ÷àñòü íàïðÿæåíèÿ EÏ, îáåñïå÷èâàÿ òðåáóåìûé ðàáî÷èé ðåæèì ñåòêè, à êîíäåíñàòîð ÑÝÑ áëîêèðóåò (çàêîðà÷èâàåò) åå íà çåìëþ ïî ïåðåìåííîìó òîêó. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Óêàæèòå íàçíà÷åíèå âñåõ ýëåìåíòîâ íà ñõåìàõ ðèñ. 5.5. 2. Êàê ðàáîòàåò ñõåìà èñòîêîâîé ñòàáèëèçàöèè ðàáî÷åé òî÷êè?
5.4. ×ÀÑÒÎÒÍÀß ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊÀ ÐÅÇÈÑÒÎÐÍÎÃÎ ÓÑÈËÈÒÅËÜÍÎÃÎ ÊÀÑÊÀÄÀ Ïðèâåäåííûå íà ðèñ. 5.4 è 5.5 ïðèíöèïèàëüíûå ñõåìû ðåçèñòîðíûõ óñèëèòåëüíûõ êàñêàäîâ â ïðåäâàðèòåëüíûõ óñèëèòåëÿõ ïðèìåíÿþò íàèáîëåå ÷àñòî. Îäíàêî íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûì èç íèõ ÿâëÿåòñÿ êàñêàä íà áèïîëÿðíîì òðàíçèñòîðå, ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà êîòîðîãî ïðèâåäåíà íà ðèñ. 5.6,à.
117
ÃËÀÂÀ 5. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÓÑÈËÈÒÅËÈ
à
á
Ðèñ. 5.6
 íåì èñïîëüçîâàíà ýìèòòåðíàÿ ñòàáèëèçàöèÿ ðàáî÷åé òî÷êè, à â êà÷åñòâå ñîïðîòèâëåíèÿ ïîëåçíîé íàãðóçêè ïàðàëëåëüíîå ñîåäèíåíèå RÍ è ÑÍ. Ðåçèñòîð RÍ ïðè ìíîãîêàñêàäíîì âêëþ÷åíèè õàðàêòåðèçóåò âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå ñëåäóþùåãî êàñêàäà; êîíäåíñàòîð ÑÍ èìèòèðóåò ñîáîé åìêîñòü íàãðóçêè, âêëþ÷àþùóþ è åìêîñòü ìîíòàæà. Äëÿ óïðîùåíèÿ àíàëèçà ðåçèñòîðíîãî êàñêàäà íà ïåðåìåííîì òîêå åãî ïîëíóþ ïðèíöèïèàëüíóþ ñõåìó öåëåñîîáðàçíî çàìåíèòü óïðîùåííîé ýêâèâàëåíòíîé, îòðàæàþùåé îñíîâíûå ñâîéñòâà êàñêàäà. Ñïîñîáíîñòü òðàíçèñòîðà ôîðìèðîâàòü â íàãðóçêå âûõîäíîå êîëåáàíèå ìîæíî îòðàçèòü, çàìåíèâ åãî ýêâèâàëåíòíûì àêòèâíûì äâóõïîëþñíèêîì, ïîäêëþ÷åííûì âìåñòî òðàíçèñòîðà ê âûâîäàì «êîëëåêòîðýìèòòåð». Ðåçèñòîðû R1, R2 è RÝ (ðèñ. 5.6,à) çàäàþò òðàíçèñòîðó ðàáî÷óþ òî÷êó, òî åñòü îáåñïå÷èâàþò ëèíåéíûé ðåæèì åãî ðàáîòû, ïðè êîòîðîì òðàíçèñòîð ìîæåò áûòü çàìåíåí ýêâèâàëåíòíîé ñõåìîé, ðàññìîòðåííîé â ðàçäåëå 3.2.3.4. Ïðè àíàëèçå áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî íà âõîäíûå çàæèìû òðàíçèñòîðà ïîäàíî ïåðåìåííîå ñèíóñîèäàëüíîå íàïðÿæåíèå ñ àìïëèòóäîé UÂÕ. Òîê ýêâèâàëåíòíîãî ãåíåðàòîðà ðàâåí Ià = SUÂÕ (S êðóòèçíà òðàíçèñòîðà). Âíóòðåííåå ñîïðîòèâëåíèå ýêâèâàëåíòíîãî äâóõïîëþñíèêà ðàâíî âûõîäíîìó ñîïðîòèâëåíèþ òðàíçèñòîðà ïðè ïîãàøåííîì èñòî÷íèêå âõîäíîãî ñèãíàëà, òî åñòü ïðè UÂÕ = 0, è ïðè ïðåíåáðåæåíèè âåëè÷èíàìè ðåçèñòîðîâ rÝ è rÁ ïî ñðàâíåíèþ ñ rÊ (ñì. ðèñ. 3.22) ñîñòîèò èç Ri P C22, ãäå Ri è C22 âûõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå è âûõîäíàÿ åìêîñòü òðàíçèñòîðà ïðè êîðîòêîçàìêíóòîì âõîäå, à çíàê P îçíà÷àåò ïàðàëëåëüíîå ñîåäèíåíèå ýòèõ ýëåìåíòîâ. Íàïîìíèì, ÷òî åñëè òîê ãåíåðàòîðà âûðàæàåòñÿ ÷åðåç âõîäíîå íàïðÿæåíèå Ià = SUÝÁ, òî rÊ çàìåíÿåòñÿ íà Ri = rÊ/(1 + SrÁ), à ÑÁÊ íà Ñ22 = ÑÁÊ(1 + SrÁ).
118
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
Êàê è íà ïðèíöèïèàëüíîé ñõåìå êàñêàäà (ðèñ. 5.6,à), ê âûâîäó êîëëåêòîðà òðàíçèñòîðà (ê) ïîäêëþ÷àåì íèæíèé âûâîä ðåçèñòîðà RÊ. Äëÿ îïðåäåëåíèÿ ìåñòà ïîäêëþ÷åíèÿ âåðõíåãî âûâîäà ýòîãî ðåçèñòîðà çàìåòèì, ÷òî èñòî÷íèê ïèòàíèÿ EÏ äëÿ ïåðåìåííîé ñîñòàâëÿþùåé ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé êîðîòêîå çàìûêàíèå. Äåéñòâèòåëüíî, èñòî÷íèê ïèòàíèÿ äîëæåí ïîääåðæèâàòü íåèçìåííûì íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ EÏ ïðè ëþáûõ èçìåíåíèÿõ ïîòðåáëÿåìîãî òîêà IÏ, òî åñòü DÅÏ ® 0. Òîãäà âíóòðåííåå äèôôåðåíöèàëüíîå (òî åñòü äëÿ ïåðåìåííîãî òîêà) ñîïðîòèâëåíèå èñòî÷íèêà rÏ = DÅÏ/DIÏ ® 0, à çíà÷èò, åãî ìîæíî ïðåäñòàâèòü êîðîòêèì çàìûêàíèåì (íà ðèñ. 5.6,à ïîêàçàíî øòðèõàìè). Êàê óæå óêàçûâàëîñü, âåëè÷èíó åìêîñòè áëîêèðîâî÷íîãî êîíäåíñàòîðà ÑÁË âûáèðàþò òàêîé, ÷òîáû íà íèæíåé ðàáî÷åé ÷àñòîòå åãî ñîïðîòèâëåíèå áûëî ïðåíåáðåæèìî ìàëûì, òî åñòü åãî òîæå ìîæíî çàìåíèòü êîðîòêèì çàìûêàíèåì. Òàêèì îáðàçîì, âåðõíèé âûâîä RÊ ÷åðåç îáå êîðîòêîçàìûêàþùèå ïåðåìû÷êè îêàçûâàåòñÿ ïîäêëþ÷åííûì ê ýìèòòåðó òðàíçèñòîðà, à çíà÷èò, íà ýêâèâàëåíòíîé ñõåìå (ðèñ. 5.6,á) ê âûâîäó «ý». Êðîìå RÊ ê êîëëåêòîðó òðàíçèñòîðà ïîäêëþ÷åí ðàçäåëèòåëüíûé êîíäåíñàòîð ÑÐ, âòîðîé âûâîä êîòîðîãî ñîåäèíåí ñ RÍ è ÑÍ. Íèæíèå âûâîäû RÍ è ÑÍ ÷åðåç êîðîòêîçàìûêàþùèé êîíäåíñàòîð ÑÁË òàêæå ñîåäèíåíû ñ âûâîäîì «ý».  ðåçóëüòàòå ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà êàñêàäà ïðèîáðåòàåò âèä, ïîêàçàííûé íà ðèñ. 5.6,á. Ïðè÷èíû óìåíüøåíèÿ óñèëåíèÿ íà íèæíèõ è âåðõíèõ ÷àñòîòàõ â ðåçèñòîðíîì óñèëèòåëüíîì êàñêàäå ðàçëè÷íû. Ïîýòîìó äëÿ óïðîùåíèÿ àíàëèç â ýòèõ îáëàñòÿõ âûïîëíèì ïî îòäåëüíîñòè. 5.4.1. ÎÁËÀÑÒÜ ÂÅÐÕÍÈÕ ×ÀÑÒÎÒ
 îáëàñòè âåðõíèõ ÷àñòîò ñîïðîòèâëåíèå ðàçäåëèòåëüíîãî êîíäåíñàòîðà CÐ íè÷òîæíî ìàëî, ïîýòîìó íà ýêâèâàëåíòíîé ñõåìå êàñêàäà îí ìîæåò áûòü ïðåäñòàâëåí êîðîòêèì çàìûêàíèåì.  ýòîì ñëó÷àå íàãðóçêà òðàíçèñòîðà, ïîäêëþ÷åííàÿ ê âûõîäíûì çàæèìàì äâóõïîëþñíèêà, îêàçûâàåòñÿ ñîñòîÿùåé èç RÍÒ = RÊ P RÍ è CÍ. Òîãäà ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà êàñêàäà óïðîùàåòñÿ (ðèñ. 5.7,à). Óêàçàííûå ýëåìåíòû, à òàêæå Ri è C22, âêëþ÷åíû ìåæäó ñîáîé ïàðàëëåëüíî, ïîýòîìó íàïðÿæåíèÿ íà íèõ îäèíàêîâû è ÿâëÿþòñÿ âûõîäíûì íàïðÿæåíèåì êàñêàäà UÂÛÕ.
119
ÃËÀÂÀ 5. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÓÑÈËÈÒÅËÈ
à
á
Ðèñ. 5.7
Êàê óæå óêàçûâàëîñü, òîê ýêâèâàëåíòíîãî ãåíåðàòîðà çàâèñèò òîëüêî îò âåëè÷èíû âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ UÂÕ è ïðè èçìåíåíèè ÷àñòîòû îñòàåòñÿ íåèçìåííûì, ðàâíûì ñóììå òîêîâ, ïðîòåêàþùèõ ÷åðåç âñå ýëåìåíòû ñõåìû Ià = IRà + IÑà + IÍ + IÑÍ (ðèñ. 5.7,à). Ñ ïîâûøåíèåì ÷àñòîòû ñîïðîòèâëåíèÿ êîíäåíñàòîðîâ ÑÍ è Ñ22 óìåíüøàþòñÿ (ÕÑ = 1/wÑ). Ýòî âûçûâàåò óâåëè÷åíèå òîêà ÷åðåç íèõ, à çíà÷èò, óìåíüøåíèå òîêà IRà ÷åðåç Ri è IÍ ÷åðåç RÍÒ. Òîãäà íàïðÿæåíèå íà íàãðóçêå UÂÛÕ = IÍRÍÒ è êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è K = UÂÛÕ/UÂÕ òîæå óìåíüøàþòñÿ. Ïàðàëëåëüíîå ñîåäèíåíèå Ri, Ñ22, RÍÒ è ÑÍ (èõ îáùåå ñîïðîòèâëåíèå îáîçíà÷èì ZÍ ÝÊ) ïîçâîëÿåò óïðîñòèòü îáúÿñíåíèå ñïàäà ÷àñòîòíîé õàðàêòåðèñòèêè êàñêàäà: ñ ïîâûøåíèåì ÷àñòîòû âåëè÷èíà ZÍ ÝÊ óìåíüøàåòñÿ, ÷òî ïðè íåèçìåííîì òîêå ãåíåðàòîðà (Ià = SUÂÕ = const) ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ UÂÛÕ, à çíà÷èò, è êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è K = UÂÛÕ/UÂÕ = IÃZÍ ÝÊ/UÂÕ (ðèñ. 5.7,á). Íàïîìíèì, ÷òî ïîä÷åðêèâàíèåì îòìå÷àåòñÿ êîìïëåêñíîñòü ïðèâîäèìûõ âåëè÷èí. Ïðè ïîëó÷åíèè ðàñ÷åòíûõ ôîðìóë îáîçíà÷èì äëÿ îïðåäåëåííîñòè êîìïëåêñíûé êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ â îáëàñòè âåðõíèõ ÷àñòîò: 1 2 1 1 123 1 344 56 7 (5.2) 1 13 Îáùàÿ ýêâèâàëåíòíàÿ íàãðóçêà ZÍ ÝÊ ãåíåðàòîðà òîêà ñîñòîèò èç RÍ ÝÊ = Ri P RÍÒ è CÍ ÝÊ = C22 + CÍ, òîãäà êîìïëåêñíîå ñîïðîòèâëåíèå åå: 11 23 4 21 23 1 56 2 63341 23 ãäå tÍ ÝÊ = RÍ ÝÊÑÍ ÝÊ ïîñòîÿííàÿ âðåìåíè öåïè íàãðóçêè ãåíåðàòîðà òîêà íà ýêâèâàëåíòíîé ñõåìå. Íà âåðõíèõ ÷àñòîòàõ êðóòèçíà òðàíçèñòîðà òàêæå èìååò êîìïëåêñíûé õàðàêòåð: 11 2 11 34 2 42341 ãäå S0 íèçêî÷àñòîòíîå çíà÷åíèå êðóòèçíû, tS åå ïîñòîÿííàÿ âðåìåíè.
120
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
Íà îñíîâàíèè ýòèõ ôîðìóë íîðìèðîâàííûé êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è êàñêàäà íà âåðõíèõ ÷àñòîòàõ â êîìïëåêñíîé ôîðìå 2 7 31 1 1 1 8 (5.3) 22 97 2 4341 97 2 4343 456
ãäå K0 = S0RÍ ÝÊ êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ êàñêàäà íà ñðåäíèõ ÷àñòîòàõ. Ðàñêðûâàÿ ñêîáêè è ó÷èòûâàÿ, ÷òî â ïðåäåëàõ ïîëîñû ïðîïóñêàíèÿ w2tS tÍ ÝÊ = 1, ïîëó÷èì: 2 3 11 1 (5.4) 2 2 2341 Çäåñü t = tS + tÍ ÝÊ ïîñòîÿííàÿ âðåìåíè âûõîäíîé öåïè êàñêàäà â îáëàñòÿõ âåðõíèõ ÷àñòîò. Ìîäóëü âûðàæåíèÿ (5.4) ïðåäñòàâëÿåò ôîðìóëó, ïîçâîëÿþùóþ ðàññ÷èòàòü íîðìèðîâàííóþ àìïëèòóäíî-÷àñòîòíóþ õàðàêòåðèñòèêó (ãðàôèê 1 íà ðèñ. 5.7,á): 3 4 11 1 (5.5) 3 2 32 412 Ñïàä ãðàôèêà ñ ïîâûøåíèåì ÷àñòîòû îáúÿñíÿåòñÿ îäíîâðåìåííûì óìåíüøåíèåì ìîäóëÿ êðóòèçíû S è ñîïðîòèâëåíèÿ ZÍ ÝÊ, ñîäåðæàùåãî êîíäåíñàòîðû. Äëÿ íàõîæäåíèÿ âåðõíåé ãðàíè÷íîé ÷àñòîòû êàñêàäà w íà ñòàíäàðòíîì óðîâíå îòñ÷åòà (d = 0,707) ó÷òåì, ÷òî ïðè w = w âåëè÷èíà y = 0,707 = 12 34 Òîãäà èç (5.5) ïîëó÷èì w = 1/tÂ. Âûïîëíåííûé àíàëèç îòíîñèòñÿ êàê ê ñõåìå ñ ÎÝ, òàê è ê ñõåìå ñ ÎÁ, òàê êàê âûõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå òðàíçèñòîðà Ri P C22 ïðè êîðîòêîçàìêíóòîì âõîäå è åãî êðóòèçíà îäèíàêîâû äëÿ îáåèõ ñõåì. Åñëè tS = tÍ ÝÊ, òî ñïàä â îñíîâíîì îïðåäåëÿåòñÿ óìåíüøåíèåì âåëè÷èíû åìêîñòíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ CÍ è C22. Òàê îáñòîèò äåëî, íàïðèìåð, â êàñêàäàõ íà ÏÒ è ëàìïàõ. Ïðè w = w ìîäóëü ñîïðîòèâëåíèÿ CÍ + C22 ðàâåí âåëè÷èíå RÍ ÝÊ, ïîýòîìó ÷åì áîëüøåå RÍ ÝÊ, òåì ïðè ìåíüøèõ çíà÷åíèÿõ w ýòî ðàâåíñòâî âûïîëíÿåòñÿ. Ñëåäîâàòåëüíî, ñ óâåëè÷åíèåì RÍ ÝÊ âåðõíÿÿ ãðàíè÷íàÿ ÷àñòîòà êàñêàäà w óìåíüøàåòñÿ (ãðàôèê 2 íà ðèñ. 5.7,á). Óìåíüøåíèå ñîïðîòèâëåíèÿ íàãðóçêè òðàíçèñòîðà RÍÒ äî íóëÿ îáðàùàåò â íóëü íå âñå t = tS + tÍ ÝÊ, à òîëüêî åãî ÷àñòü tÍ ÝÊ, è ïîýòîìó ïîâûøàåò âåðõíþþ ãðàíè÷íóþ ÷àñòîòó êàñêàäà w = 1/t íå äî áåñêîíå÷íîñòè, à òîëüêî äî wS = 1/tS (ãðàôèê 3 íà ðèñ. 5.7,á). Òàêèì îáðàçîì, â ðåçèñòîðíîì êàñêàäå ñ ÎÝ èëè ÎÁ ïîëó÷èòü w > wS íåâîçìîæíî.
121
ÃËÀÂÀ 5. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÓÑÈËÈÒÅËÈ
5.4.2. ÎÁËÀÑÒÜ ÍÈÆÍÈÕ È ÑÐÅÄÍÈÕ ×ÀÑÒÎÒ
Îñîáåííîñòüþ àíàëèçà óñèëèòåëüíîãî êàñêàäà â ýòîì äèàïàçîíå ÷àñòîò ÿâëÿåòñÿ íåâîçìîæíîñòü ïðåíåáðåæåíèÿ ñîïðîòèâëåíèåì ðàçäåëèòåëüíîãî êîíäåíñàòîðà ÑÐ, òàê êàê íà íèæíèõ ÷àñòîòàõ âåëè÷èíà ýòîãî ñîïðîòèâëåíèÿ çíà÷èòåëüíî âîçðàñòàåò (ÕÑ = 1/wÑ), è îí ìîæåò ñèëüíî çàòðóäíÿòü ïåðåäà÷ó ñèãíàëà. Åìêîñòíûå ñîïðîòèâëåíèÿ C22 è CÍ íà ñðåäíèõ è íèæíèõ ÷àñòîòàõ òîæå âåëèêè (èõ åìêîñòè ìàëû), à çíà÷èò, îíè ñëàáî øóíòèðóþò (óìåíüøàþò) íàãðóçêó è ïîýòîìó ïðè àíàëèçå íå ó÷èòûâàþòñÿ. Êðîìå òîãî, êðóòèçíà òðàíçèñòîðà íà íèçêèõ ÷àñòîòàõ íå ÿâëÿåòñÿ êîìïëåêñíîé è ðàâíà S0.  ðåçóëüòàòå ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà êàñêàäà ïðèîáðåòàåò âèä, ïîêàçàííûé íà ðèñ. 5.8,à. Ñ ïîíèæåíèåì ÷àñòîòû ñîïðîòèâëåíèå êîíäåíñàòîðà ÑÐ óâåëè÷èâàåòñÿ, ÷òî ïðèâîäèò ê âîçðàñòàíèþ îáùåãî ñîïðîòèâëåíèÿ öåïè, ñîñòîÿùåé èç ÑÐ è RÍ, à çíà÷èò, ñíèæåíèþ ïðîòåêàþùåãî ÷åðåç íåå òîêà IÍ. Ýòî óìåíüøàåò íàïðÿæåíèå, âûäåëÿþùååñÿ íà íàãðóçêå UÂÛÕ = IÍRÍ, êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è K = UÂÛÕ/UÂÕ = IÍRÍ/UÂÕ è ìîäóëü åãî îòíîñèòåëüíîé âåëè÷èíû yÍ = |K|/K0 (ðèñ. 5.8,á).  ïðåäåëå ïðè w ® 0 ïîëó÷àåì K = 0 è yÍ = 0. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ ðàñ÷åòíûõ ôîðìóë íàéäåì êîìïëåêñíûé êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ êàñêàäà â îáëàñòè íèæíèõ ÷àñòîò. Ñîïðîòèâëåíèÿ Ri è RÊ âêëþ÷åíû ïàðàëëåëüíî, ïîýòîìó èõ ìîæíî çàìåíèòü îäíèì RiÊ = Ri P RÊ. Òîãäà ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà êàñêàäà êðîìå ãåíåðàòîðà, òîê êîòîðîãî Ià = S0UÂÕ, áóäåò ñîñòîÿòü èç äâóõ ïàðàëëåëüíî âêëþ÷åííûõ âåòâåé, îäíà èç êîòîðûõ ñîäåðæèò RiÊ, à âòîðàÿ ïîñëåäîâàòåëüíî ñîåäèíåííûå ðàçäåëèòåëüíûé êîíäåíñàòîð CÐ è RÍ. Ñîãëàñíî çàêîíó Îìà òîê, ïðîòåêàþùèé â òàêîé ñõåìå ÷åðåç RÍ, ìîæåò áûòü íàéäåí ïî ôîðìóëå IÍ = IÃRiÊ/[RiÊ + (RÍ + 1/jwCÐ)]. Ó÷èòûâàÿ, ÷òî à
á
Ðèñ. 5.8
122
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
UÂÛÕ = IÍRÍ, êîìïëåêñíûé êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ êàñêàäà â îáëàñòè íèæíèõ ÷àñòîò: 2 314 35 8 4 5 1 123 1 56 2 13 (5.6) 314 2 35 2 9 6377 Îòíîñèòåëüíûé êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ â êîìïëåêñíîé ôîðìå: 1 3 4 21 1 1 1 (5.7) 12 3 2 3 3341 ãäå K0 = S0RiÊ P RÍ = S0RÍ ÝÊ êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ êàñêàäà â îáëàñòè ñðåäíèõ ÷àñòîò; tÍ = CÐ(RiÊ + RÍ) ïîñòîÿííàÿ âðåìåíè âûõîäíîé öåïè êàñêàäà íà íèæíèõ ÷àñòîòàõ. Ìîäóëü ýòîãî âûðàæåíèÿ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ôîðìóëó äëÿ ðàñ÷åòà íîðìèðîâàííîé À×Õ: 3 (5.8) 4 11 1 3 32 2 2 3 41 Ãðàôèê À×Õ ïðèâåäåí íà ðèñ. 5.8,á. Íèæíÿÿ ãðàíè÷íàÿ ÷àñòîòà êàñêàäà íà óðîâíå îòñ÷åòà 0,707 ðàâíà wÍ = 1/tÍ.  îáëàñòè ñðåäíèõ ÷àñòîò CÐ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé êîðîòêîå çàìûêàíèå, à C22 è CÍ, êàê è íà íèæíèõ ÷àñòîòàõ, íå ó÷èòûâàþòñÿ. Ñëåäîâàòåëüíî, â ýêâèâàëåíòíîé ñõåìå êàñêàäà ðåàêòèâíûõ ýëåìåíòîâ íåò, è åãî êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ íå çàâèñèò îò ÷àñòîòû. Ïîýòîìó â (5.2) ZÍ ÝÊ = RÍ ÝÊ è K = K0 = S0RÍ ÝÊ. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Îáîñíóéòå ñîîòâåòñòâèå ïðèíöèïèàëüíîé ñõåìû êàñêàäà (ðèñ. 5.6,à) åå ýêâèâàëåíòíîé ñõåìå (ðèñ. 5.6,á). 2. Êàê ïðåîáðàçîâàíà ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà äëÿ îáëàñòè âåðõíèõ ÷àñòîò? 3. Êàê ïðåîáðàçîâàíà ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà äëÿ îáëàñòè íèæíèõ ÷àñòîò? 4. ×åì îáúÿñíèòü ñïàä À×Õ â îáëàñòÿõ âåðõíèõ è íèæíèõ ÷àñòîò?
5.5. ÄÈÔÔÅÐÅÍÖÈÀËÜÍÛÉ ÓÑÈËÈÒÅËÜÍÛÉ ÊÀÑÊÀÄ Â íàñòîÿùåå âðåìÿ â óñèëèòåëüíûõ óñòðîéñòâàõ øèðîêîå ïðèìåíåíèå ïîëó÷èë äèôôåðåíöèàëüíûé óñèëèòåëüíûé êàñêàä, ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà êîòîðîãî ïðèâåäåíà íà ðèñ. 5.9. Îí ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé äâà ðåçèñòîðíûõ óñèëèòåëüíûõ êàñêàäà, èíîãäà íàçûâàåìûõ ïëå÷àìè, ó êîòîðûõ ýìèòòåðû òðàí-
123
ÃËÀÂÀ 5. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÓÑÈËÈÒÅËÈ
à
á
Ðèñ. 5.9
çèñòîðîâ ñîåäèíåíû äðóã ñ äðóãîì íåïîñðåäñòâåííî. Ðåçèñòîðû R1
R4 çàäàþò íàïðÿæåíèÿ íà áàçàõ ýòèõ òðàíçèñòîðîâ. ×òîáû ïîñòîÿííûå íàïðÿæåíèÿ íà áàçàõ ðàçëè÷àëèñü íåçíà÷èòåëüíî (âî èçáåæàíèå çàïèðàíèÿ îäíîãî èç òðàíçèñòîðîâ) îäèí èç ÷åòûðåõ ðåçèñòîðîâ R1
R4 òðåáóåò èíäèâèäóàëüíîãî ïîäáîðà. Ïîäà÷à âõîäíûõ ñèãíàëîâ îñóùåñòâëÿåòñÿ ÷åðåç ðàçäåëèòåëüíûå êîíäåíñàòîðû ÑÐ1 è ÑÐ2. Ðàññìîòðèì ðàáîòó òàêîãî êàñêàäà. Ïåðåìåííûå íàïðÿæåíèÿ, ïîäàâàåìûå íà åãî âõîäû îòíîñèòåëüíî îáùåãî ïðîâîäà, ìîãóò áûòü îäèíàêîâûìè (â òîì ÷èñëå è ïî ôàçå) èëè ðàçëè÷íûìè, êðîìå òîãî, âõîäíîå íàïðÿæåíèå ìîæåò ïîäàâàòüñÿ ïðÿìî ìåæäó áàçàìè òðàíçèñòîðîâ, à íå îòíîñèòåëüíî îáùåãî ïðîâîäà. Ïîñëåäíèé ðåæèì íàçûâàþò ñèììåòðè÷íûì. Âûõîäíûå íàïðÿæåíèÿ òàêæå ìîãóò ñíèìàòüñÿ ñ êîëëåêòîðà êàæäîãî òðàíçèñòîðà (îòíîñèòåëüíî îáùåãî ïðîâîäà) èëè ìåæäó íèìè êàê ðàçíîñòü ýòèõ íàïðÿæåíèé, òî åñòü äèôôåðåíöèàëüíî. Êàê ïðàâèëî, ðåæèì ðàáîòû êàñêàäà ñ ñèììåòðè÷íûìè âõîäîì è âûõîäîì ïðèìåíÿåòñÿ íàèáîëåå ÷àñòî. Åñëè RÊ1 = RÊ2, à VT1 è VT2 ïîëíîñòüþ èäåíòè÷íû, òî ëþáûå èçìåíåíèÿ òîêîâ è íàïðÿæåíèé â êàñêàäå, âûçâàííûå íåïîñòîÿíñòâîì òåìïåðàòóðû, èçìåíåíèåì íàïðÿæåíèÿ ïèòàíèÿ, ñòàðåíèåì òðàíçèñòîðîâ è ò. ä. (òî åñòü îäíîâðåìåííî âîçäåéñòâóþùèå íà îáå îäèíàêîâûå ïîëîâèíû ñõåìû), íå áóäóò âëèÿòü íà âåëè÷èíó äèôôåðåíöèàëüíîãî âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ UÂÛÕ Ä, òàê êàê âñå èçìåíåíèÿ áóäóò ïðîõîäèòü îäèíàêîâî, à UÂÛÕ Ä = (UÂÛÕ2 UÂÛÕ1). Ïðåäïîëîæèì, ÷òî íà âõîäû êàñêàäà äåéñòâóþò îäèíàêîâûå ïî âåëè÷èíå, íî ïðîòèâîïîëîæíûå ïî ôàçå ñèíóñîèäàëüíûå íàïðÿæåíèÿ ñ àìïëèòóäàìè UÂÕ1 è UÂÕ2. Äëÿ îïðåäåëåííîñòè áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî â ðàññìàòðèâàåìûé ìîìåíò âðåìåíè
124
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
íà âõîäå VT1 äåéñòâóåò ïîëîæèòåëüíàÿ, à VT2 îòðèöàòåëüíàÿ ïîëóâîëíû íàïðÿæåíèé, ÷òî íà ðèñ. 5.9,à îáîçíà÷åíî ñîîòâåòñòâóþùèìè ïîëÿðíîñòÿìè UÂÕ1 è UÂÕ2. Ïîä èõ âîçäåéñòâèåì òîê êîëëåêòîðà (à çíà÷èò, è ýìèòòåðà) VT1 óâåëè÷èâàåòñÿ, à VT2 óìåíüøàåòñÿ, ïðè÷åì, íà ñêîëüêî óâåëè÷èâàåòñÿ îäèí, íà ñòîëüêî æå óìåíüøàåòñÿ äðóãîé. Èõ ñóììàðíûé òîê, ïðîòåêàþùèé ÷åðåç RÝ, è íàïðÿæåíèå íà íåì îñòàþòñÿ íåèçìåííûìè, íå çàâèñÿùèìè îò ïåðåìåííîé ñîñòàâëÿþùåé òîêà ýìèòòåðà êàæäîãî èç òðàíçèñòîðîâ è íå îêàçûâàþùèìè âëèÿíèå íà ðàáîòó òðàíçèñòîðîâ, òî åñòü ìîæíî ñ÷èòàòü, ÷òî ýìèòòåðû VT1 è VT2 äëÿ ïåðåìåííîé ñîñòàâëÿþùåé ñîåäèíåíû ñ îáùèì ïðîâîäîì íåïîñðåäñòâåííî (íàêîðîòêî), à çíà÷èò, êàæäûé èç òðàíçèñòîðîâ âêëþ÷åí ïî ñõåìå ñ ÎÝ. Åñëè êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ êàæäîãî ïëå÷à êàñêàäà K = UÂÛÕ1/UÂÕ1 = = UÂÛÕ2/UÂÕ2 = h21ÝRÊ/RÂÕ1, ãäå RÂÕ1 = h11Ý âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå îäíîãî èç ïëå÷ êàñêàäà, RÊ = RÊ1 = RÊ2, òî äèôôåðåíöèàëüíûé êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ êàñêàäà ïî íàïðÿæåíèþ KÄ = UÂÛÕ Ä/UÂÕ Ä = (UÂÛÕ2 UÂÛÕ1)/(UÂÕ2 UÂÕ1) = K, òî åñòü òàêîé æå, êàê äëÿ êàæäîãî èç ïëå÷ êàñêàäà. Ïðè îïðåäåëåíèè äèôôåðåíöèàëüíîãî âõîäíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ êàñêàäà ó÷òåì, ÷òî îíî èçìåðÿåòñÿ ìåæäó áàçàìè òðàíçèñòîðîâ, òî åñòü êîãäà âõîäíûå íàïðÿæåíèÿ ñêëàäûâàþòñÿ RÂÕ Ä = (UÂÕ2 + + UÂÕ1)/IÂÕ = 2RÂÕ1. Åñëè âõîäíûå íàïðÿæåíèÿ îòíîñèòåëüíî îáùåãî ïðîâîäà îäèíàêîâû ïî âåëè÷èíå è ïî ôàçå, òî ãîâîðÿò î ïîäà÷å íà âõîä êàñêàäà ñèíôàçíîãî ñèãíàëà (ðèñ. 5.9,á).  ýòîì ñëó÷àå åãî óâåëè÷åíèå ïðèâîäèò ê îäíîâðåìåííîìó óâåëè÷åíèþ òîêîâ ýìèòòåðîâ VT1 è VT2.  ðåçóëüòàòå ÷åðåç RÝ îäíîâðåìåííî áóäóò ïðîòåêàòü ñèíôàçíûå è îäèíàêîâûå ïðèðàùåíèÿ òîêîâ ýìèòòåðîâ, ïîýòîìó íàïðÿæåíèå íà RÝ óâåëè÷èòñÿ. Ñëåäîâàòåëüíî, òåïåðü óæå íåëüçÿ ñ÷èòàòü, ÷òî ýìèòòåðû ýòèõ òðàíçèñòîðîâ íàêîðîòêî ñîåäèíåíû ñ îáùèì ïðîâîäîì, è ýòî èçìåíÿåò êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ êàñêàäà äëÿ ñèíôàçíîãî ñèãíàëà. Îáû÷íî â òàêîì ðåæèìå èñïîëüçóþò íåñèììåòðè÷íûé âûõîä, òî åñòü âûõîäíîå íàïðÿæåíèå ñíèìàþò ñ êîëëåêòîðà îäíîãî èç òðàíçèñòîðîâ îòíîñèòåëüíî îáùåãî ïðîâîäà. Òîãäà êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è ñèíôàçíîãî âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ: KÑÔ = UÂÛÕ/UÂÕ ÑÔ = UÂÛÕ2/UÂÕ ÑÔ = = UÂÛÕ1/UÂÕ ÑÔ = h21ÝRÊ/RÂÕ ÑÔ,
ÃËÀÂÀ 5. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÓÑÈËÈÒÅËÈ
125
ãäå RÂÕ ÑÔ = UÂÕ ÑÔ/IÂÕ ÑÔ = h11Ý/2 + RÝ(1 + h21Ý) ñèíôàçíîå âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå êàñêàäà, ó÷èòûâàþùåå, ÷òî áàçû òðàíçèñòîðîâ åãî ïëå÷ ñîåäèíåíû ïàðàëëåëüíî.  ðåàëüíûõ óñëîâèÿõ îáû÷íî áûâàåò òðóäíî íà âõîä óñèëèòåëÿ ïîäàòü òîëüêî äèôôåðåíöèàëüíûé âõîäíîé ñèãíàë, îñîáåííî åñëè îí èìååò àìïëèòóäó â åäèíèöû ìèëëèâîëüò, à ïîäàåòñÿ ïî äëèííûì ñîåäèíèòåëüíûì ïðîâîäàì.  ýòîì ñëó÷àå íà êàæäîì èç íèõ îòíîñèòåëüíî îáùåãî ïðîâîäà «çåìëè» íàâîäèòñÿ îäèíàêîâàÿ (ñèíôàçíàÿ) ïîìåõà. Òîãäà íàïðÿæåíèå íà âûõîäå äèôôåðåíöèàëüíîãî êàñêàäà áóäåò îïðåäåëÿòüñÿ ñóììîé âîçäåéñòâèé äèôôåðåíöèàëüíîãî è ñèíôàçíîãî ñèãíàëîâ: UÂÛÕ2 = UÂÕ Ä KÄ + UÂÕ ÑÔ KÑÔ = = KÄ (UÂÕ Ä + UÂÕ ÑÔ/KÎÑË ÑÔ), ãäå KÎÑË ÑÔ = KÄ/KÑÔ êîýôôèöèåíò îñëàáëåíèÿ ñèíôàçíîãî ñèãíàëà, ïîêàçûâàþùèé âî ñêîëüêî ðàç äèôôåðåíöèàëüíûé êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ êàñêàäà áîëüøå ñèíôàçíîãî êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ. Ïðè ïîäñòàíîâêå â KÎÑË ÑÔ ôîðìóë ðàñ÷åòà KÄ è KÑÔ ïîëó÷èì, ÷òî KÎÑË ÑÔ = RÂÕ ÑÔ/RÂÕ1, îòêóäà âèäíî, ÷òî äëÿ óâåëè÷åíèÿ ïîäàâëåíèÿ ñèíôàçíîé ïîìåõè çíà÷åíèå RÂÕ ÑÔ íóæíî óâåëè÷èâàòü. Ýòî äîñòèãàåòñÿ ïðèìåíåíèåì âìåñòî RÝ òàê íàçûâàåìûõ ãåíåðàòîðîâ ñòàáèëüíîãî òîêà, êîòîðûå èìåþò âîëüòàìïåðíóþ õàðàêòåðèñòèêó, ïðèáëèæàþùóþñÿ ê õàðàêòåðèñòèêå èäåàëüíîãî ãåíåðàòîðà òîêà. Åãî âíóòðåííåå äèôôåðåíöèàëüíîå ñîïðîòèâëåíèå rÃÑÒ = DU/DI ® ¥, ÷òî îáåñïå÷èâàåò õîðîøåå ïîäàâëåíèå ñèíôàçíîé ïîìåõè. Åñëè â òàêîì óñèëèòåëüíîì êàñêàäå ïðèìåíèòü äâóïîëÿðíûé èñòî÷íèê ïèòàíèÿ, òî èñõîäíûå ïîñòîÿííûå íàïðÿæåíèÿ íà áàçàõ òðàíçèñòîðîâ ìîæíî ñäåëàòü ðàâíûìè íóëþ. Òàêîé êàñêàä óñèëèâàåò êàê ïåðåìåííóþ, òàê è ïîñòîÿííóþ ñîñòàâëÿþùèå âõîäíîãî ñèãíàëà, òî åñòü ÿâëÿåòñÿ óñèëèòåëåì ïîñòîÿííîãî òîêà. Ïðèìåíåíèå äèôôåðåíöèàëüíîãî êàñêàäà ñàìîå øèðîêîå: îí ÿâëÿåòñÿ îäíèì èç îñíîâíûõ, áàçîâûõ ñõåìîòåõíè÷åñêèõ óçëîâ ïðè ðàçðàáîòêå îïåðàöèîííûõ óñèëèòåëåé è äðóãèõ ìèêðîñõåì. Ðàññìîòðåííîå âûøå èñïîëüçîâàíèå äèôôåðåíöèàëüíîãî êàñêàäà íå åäèíñòâåííîå åãî ïðèìåíåíèå. Îí ìîæåò èñïîëüçîâàòüñÿ è â êà÷åñòâå ôàçîèíâåðñíîãî. Äëÿ ýòîãî îäèí èç âõîäîâ êàñêàäà (íàïðèìåð, UÂÕ2) ïî ïåðåìåííîìó òîêó çàêîðà÷èâàþò (ñîåäèíÿþò ñ îáùèì ïðîâîäîì). Òîãäà ïîäàâàåìûé íà
126
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
äðóãîé âõîä óñèëèâàåìûé ñèãíàë ôîðìèðóåò íå òîëüêî íàïðÿæåíèå íà êîëëåêòîðå VT1, íî è ïåðåäàåòñÿ íà ðåçèñòîð RÝ. Ýòî íàïðÿæåíèå ÿâëÿåòñÿ óïðàâëÿþùèì äëÿ VT2 è âûçûâàåò ôîðìèðîâàíèå íàïðÿæåíèÿ íà êîëëåêòîðå ýòîãî òðàíçèñòîðà, ïðîòèâîôàçíîå íàïðÿæåíèþ íà êîëëåêòîðå VT1. Òàêîé ôàçîèíâåðñíûé êàñêàä ïðèìåíÿþò â óñèëèòåëÿõ îòêëîíåíèÿ ëó÷à îñöèëëîãðàôà è äðóãèõ óñòðîéñòâàõ. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Ðàññêàæèòå îá îñîáåííîñòÿõ ïîñòðîåíèÿ äèôôåðåíöèàëüíîãî óñèëèòåëüíîãî êàñêàäà. 2. Êàê ðàññ÷èòàòü äèôôåðåíöèàëüíûé êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ êàñêàäà ïî íàïðÿæåíèþ? 3. ×òî ïîêàçûâàåò êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è ïî íàïðÿæåíèþ ñèíôàçíîãî ñèãíàëà? 4. Ðàññêàæèòå îá èñïîëüçîâàíèè äèôôåðåíöèàëüíîãî óñèëèòåëÿ â êà÷åñòâå ôàçîèíâåðñíîãî êàñêàäà.
5.6. ÓÑÈËÈÒÅËÈ ÌÎÙÍÎÑÒÈ 5.6.1. ÎÄÍÎÒÀÊÒÍÛÉ ÒÐÀÍÑÔÎÐÌÀÒÎÐÍÛÉ ÊÀÑÊÀÄ
Îäíîòàêòíûì íàçûâàåòñÿ êàñêàä, â êîòîðîì óñèëåíèå îñóùåñòâëÿåòñÿ îäíèì òðàíçèñòîðîì, ðàáîòàþùèì íåïðåðûâíî â òå÷åíèå âñåãî ïåðèîäà óñèëèâàåìîãî êîëåáàíèÿ (òî åñòü îí óñèëèâàåò îáå ïîëóâîëíû ñèãíàëà). Òàêîé ðåæèì ðàáîòû òðàíçèñòîðà íàçûâàåòñÿ ðåæèìîì À. Íà ðèñ. 5.10,à ïðèâåäåíà ïðîñòåéøàÿ ñõåìà îäíîòàêòíîãî òðàíñôîðìàòîðíîãî êàñêàäà.  íåì ñîïðîòèâëåíèå íàãðóçêè RÍ, íàïðèìåð, ãðîìêîãîâîðèòåëÿ, ÿâëÿþùåãîñÿ ïîòðåáèòåëåì óñèëåííîãî êîëåáàíèÿ, à
á
Ðèñ. 5.10
ÃËÀÂÀ 5. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÓÑÈËÈÒÅËÈ
127
âêëþ÷àåòñÿ â âûõîäíóþ (êîëëåêòîðíóþ) öåïü òðàíçèñòîðà VT íå íåïîñðåäñòâåííî, à ÷åðåç òðàíñôîðìàòîð T. Ïîýòîìó êàñêàä íàçûâàåòñÿ òðàíñôîðìàòîðíûì, à òðàíñôîðìàòîð Ò âûõîäíûì. Ðåçèñòèâíûé äåëèòåëü R1, R2 çàäàåò íà÷àëüíîå ñìåùåíèå èñõîäíîé ðàáî÷åé òî÷êè òðàíçèñòîðà. Åñëè âûõîäíàÿ ìîùíîñòü óñèëèòåëÿ íåáîëüøàÿ (äåñÿòêèñîòíè ìèëëèâàòò) è ê ÊÏÄ íå ïðåäúÿâëÿþò æåñòêèõ òðåáîâàíèé, òî â óñèëèòåëå ïðèìåíÿåòñÿ ýìèòòåðíàÿ ñòàáèëèçàöèÿ ðàáî÷åé òî÷êè (ðèñ. 5.10,á).  îêîíå÷íûõ êàñêàäàõ ïîâûøåííîé ìîùíîñòè ðåçèñòîð RÝ ñòàðàþòñÿ íå âêëþ÷àòü, òàê êàê íà íåì âûäåëÿëàñü áû çíà÷èòåëüíàÿ ìîùíîñòü êàê ïîñòîÿííîãî, òàê è ïåðåìåííîãî òîêà, ÷òî ñóùåñòâåííî ñíèæàåò ÊÏÄ êàñêàäà. Ïî ïåðåìåííîìó òîêó òðàíçèñòîð VT âêëþ÷åí ïî ñõåìå ñ îáùèì ýìèòòåðîì (ÎÝ). Åãî íàãðóçêîé RÍÒ ÿâëÿåòñÿ âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå òðàíñôîðìàòîðà ïî ïåðåìåííîìó òîêó, èçìåðåííîå íà âûâîäàõ ïåðâè÷íîé îáìîòêè Ò, êîòîðîå íå ðàâíî ñîïðîòèâëåíèþ ïåðâè÷íîé îáìîòêè òðàíñôîðìàòîðà ïî ïîñòîÿííîìó òîêó r1: RÍÒ = RÍ/n2hÒÐ,
(5.9)
ãäå n = w2/w1 êîýôôèöèåíò òðàíñôîðìàöèè âûõîäíîãî òðàíñôîðìàòîðà, ðàâíûé îòíîøåíèþ ÷èñåë âèòêîâ âòîðè÷íîé (w2) è ïåðâè÷íîé (w1) îáìîòîê; hÒÐ ÊÏÄ òðàíñôîðìàòîðà (îáû÷íî hÒÐ = 0,7 0,95). Åãî èñïîëüçîâàíèå îáóñëîâëåíî íåîáõîäèìîñòüþ èçìåíåíèÿ ðåàëüíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ íàãðóçêè RÍ â âåëè÷èíó, ïðè êîòîðîé äëÿ çàäàííîãî ÅÏ â óñèëèòåëå îáåñïå÷èâàåòñÿ òðåáóåìàÿ âûõîäíàÿ ìîùíîñòü. Ìàêñèìàëüíàÿ ìîùíîñòü, âûäåëÿþùàÿñÿ â íàãðóçêå, ÐÂÛÕ max îäíîçíà÷íî ñâÿçàíà ñ RÍ è íàïðÿæåíèåì ïèòàíèÿ ÅÏ. Íàïðèìåð, â ðåçèñòîðíîì êàñêàäå àìïëèòóäà âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ íå ìîæåò ïðåâûøàòü ÅÏ/2, à çíà÷èò, ïðè ãàðìîíè÷åñêîì ñèãíàëå ÐÂÛÕ max = (ÅÏ/2)2/2RÍ.  ýòîì ñëó÷àå ïðè çàäàííûõ ÅÏ è RÍ òðåáóåìàÿ ìîùíîñòü â íàãðóçêå ìîæåò áûòü íå îáåñïå÷åíà. Äëÿ åå ïîëó÷åíèÿ ñîïðîòèâëåíèå íàãðóçêè íóæíî èçìåíèòü, ÷òî è äîñòèãàåòñÿ ïðèìåíåíèåì âûõîäíîãî òðàíñôîðìàòîðà, ïîçâîëÿþùåãî òðàíñôîðìèðîâàòü ñîïðîòèâëåíèå ðåàëüíîé íàãðóçêè RÍ â âåëè÷èíó RÍÒ, îáåñïå÷èâàþùóþ òðåáóåìóþ âåëè÷èíó ÐÂÛÕ max.  òàêîì óñèëèòåëå â ðåæèìå ïîêîÿ (ïðè îòñóòñòâèè âõîäíîãî ñèãíàëà) íàïðÿæåíèå ìåæäó êîëëåêòîðîì è ýìèòòåðîì
128
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
ìåíüøå íàïðÿæåíèÿ ïèòàíèÿ ÅÏ ëèøü íà âåëè÷èíó íàïðÿæåíèÿ, âûäåëÿþùåãîñÿ íà ñîïðîòèâëåíèè ïåðâè÷íîé îáìîòêè òðàíñôîðìàòîðà äëÿ ïîñòîÿííîãî òîêà r1, êîòîðîå, êàê ïðàâèëî, ïðåíåáðåæèìî ìàëî. Ýòî îòëè÷àåò òðàíñôîðìàòîðíûé êàñêàä îò ðåçèñòîðíîãî, â êîòîðîì íàïðÿæåíèå ìåæäó êîëëåêòîðîì è ýìèòòåðîì â èñõîäíîì ñîñòîÿíèè áëèçêî ê ÅÏ/2. Êàê è â ðåçèñòîðíîì êàñêàäå, òîê áàçû òðàíçèñòîðà â ðàáî÷åé òî÷êå çàäàþò íà ëèíåéíîì ó÷àñòêå âõîäíîé õàðàêòåðèñòèêè, âûáèðàÿ åãî íà 1030% áîëüøå ìàêñèìàëüíîé àìïëèòóäû ïåðåìåííîé ñîñòàâëÿþùåé òîêà óñèëèâàåìîãî êîëåáàíèÿ, ÷òî ïîçâîëÿåò îáåñïå÷èòü ìàëûå íåëèíåéíûå èñêàæåíèÿ âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ. Òîê áàçû è íàïðÿæåíèå êîëëåêòîðýìèòòåð òðàíçèñòîðà îïðåäåëÿþò íà ñåìåéñòâå åãî âûõîäíûõ õàðàêòåðèñòèê (ðèñ. 5.11) ïîëîæåíèå èñõîäíîé ðàáî÷åé òî÷êè À. Ïðè ïîëóâîëíå âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ îòïèðàþùåé ïîëÿðíîñòè (â äàííîì ñëó÷àå ïîëîæèòåëüíîé) òðàíçèñòîð äîïîëíèòåëüíî îòêðûâàåòñÿ. Åãî òîê óâåëè÷èâàåòñÿ, íàïðÿæåíèå íà ïåðâè÷íîé îáìîòêå òðàíñôîðìàòîðà âîçðàñòàåò, à ìåæäó êîëëåêòîðîì è ýìèòòåðîì òðàíçèñòîðà óìåíüøàåòñÿ. Äëÿ óñèëèâàåìîãî (ïåðåìåííîãî) òîêà âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå òðàíñôîðìàòîðà ðàâíî RÍÒ, ïîýòîìó â ëþáîé ìîìåíò âðåìåíè uÊÝ = ÅÏ iÊRÍÒ, òî åñòü ïåðåìåùàåòñÿ ïî ó÷àñòêó À ïðÿìîé ÂÑ, íàçûâàåìîé íàãðóçî÷íîé, íàêëîí êîòîðîé îïðåäåëÿåòñÿ ñîïðîòèâëåíèåì RÍÒ: j~ = arcctg RÍÒ.
Ðèñ. 5.11
ÃËÀÂÀ 5. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÓÑÈËÈÒÅËÈ
129
Ïðè óìåíüøåíèè âõîäíîãî ñèãíàëà òîê êîëëåêòîðà iÊ óìåíüøàåòñÿ.  ýòîì ñëó÷àå ÝÄÑ ñàìîèíäóêöèè ïåðâè÷íîé îáìîòêè òðàíñôîðìàòîðà w1 èçìåíÿåò çíàêè íà ïðîòèâîïîëîæíûå (íà ðèñ. 5.10,à ïîêàçàíî â ñêîáêàõ) è ñêëàäûâàåòñÿ ñ EÏ, óâåëè÷èâàÿ íàïðÿæåíèå uÊÝ ñâåðõ EÏ. Òàêèì îáðàçîì, â òðàíñôîðìàòîðíîì êàñêàäå íàïðÿæåíèå ìåæäó êîëëåêòîðîì è ýìèòòåðîì òðàíçèñòîðà â íåêîòîðûå ìîìåíòû âðåìåíè ïðåâûøàåò íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ, ÷òî òàêæå îòëè÷àåò òðàíñôîðìàòîðíûé êàñêàä îò ðåçèñòîðíîãî, â êîòîðîì âñåãäà uÊÝ £ ÅÏ. Ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå íàïðÿæåíèÿ íà òðàíçèñòîðå ìîæåò äîñòèãàòü uÊÝ max » 2UÊÐ » 2EÏ, ïîýòîìó òðàíçèñòîð äîëæåí âûáèðàòüñÿ òàêèì, ó êîòîðîãî ìàêñèìàëüíî äîïóñòèìîå íàïðÿæåíèå êîëëåêòîðýìèòòåð ïðåâûøàåò âåëè÷èíó EÏ â äâà, à ñ ó÷åòîì çàïàñà ïðî÷íîñòè â 2,5 ðàçà. Êàê âèäíî èç ðèñ. 5.11 òî÷êè B è C îïðåäåëÿþò ãðàíèöû âîçìîæíûõ èçìåíåíèé iÊ è uÊÝ ïîä äåéñòâèåì âõîäíîãî ïåðåìåííîãî íàïðÿæåíèÿ. Òî÷êà B ñîîòâåòñòâóåò «ïîëíîñòüþ» îòêðûòîìó òðàíçèñòîðó. Ïðè ýòîì íàïðÿæåíèå íà íåì óìåíüøàåòñÿ äî òàê íàçûâàåìîãî îñòàòî÷íîãî UÎÑÒ (îáû÷íî íåáîëüøîãî, íå ïðåâûøàþùåãî 1 Â). Òî÷êà C ñîîòâåòñòâóåò «ïîëíîñòüþ» çàïåðòîìó òðàíçèñòîðó, ïðè ýòîì åãî òîê ðàâåí îñòàòî÷íîìó è äîâîëüíî ìàë. Íà ðèñ. 5.11 ïîêàçàíû òàêæå âðåìåííû´å äèàãðàììû ìãíîâåííûõ çíà÷åíèé íàïðÿæåíèÿ è òîêà êîëëåêòîðà ïðè óñèëåíèè ãàðìîíè÷åñêîãî êîëåáàíèÿ ìàêñèìàëüíîé àìïëèòóäû. Îíè ñîäåðæàò ïîñòîÿííóþ (UÊÐ è IÊÐ) è ïåðåìåííóþ (ñ àìïëèòóäàìè UmÊ max è ImÊ max) ñîñòàâëÿþùèå. Åñëè ìàêñèìàëüíàÿ àìïëèòóäà ôîðìèðóåìîãî âûõîäíîãî òîêà ImÊ max, òî ìàêñèìàëüíàÿ âûõîäíàÿ ìîùíîñòü ãàðìîíè÷å2 ñêîãî êîëåáàíèÿ ÐÂÛÕ max = RÍÒImÊ max /2 è, çàäàâàÿ çíà÷åíèå ImÊ max (èëè ñâÿçàííîå ñ íèì IÊÐ), ìîæíî ðàññ÷èòàòü RÍÒ, à ïî ôîðìóëå (5.9) òðåáóåìûé êîýôôèöèåíò òðàíñôîðìàöèè n. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Íàðèñóéòå ïðèíöèïèàëüíóþ ñõåìó ïðîñòåéøåãî îäíîòàêòíîãî òðàíñôîðìàòîðíîãî êàñêàäà è îáúÿñíèòå íàçíà÷åíèå åãî ýëåìåíòîâ. 2. Êàêîé ðåæèì íàçûâàåòñÿ ðåæèìîì A? 3. Ðàññêàæèòå î ðàáîòå êàñêàäà. ×åì îïðåäåëÿåòñÿ ìàêñèìàëüíàÿ íåèñêàæåííàÿ âûõîäíàÿ ìîùíîñòü? 4. ×òî òàêîå ëèíèÿ íàãðóçêè è êàê îíà ñòðîèòñÿ?
130
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
5.6.1.1. ÝÍÅÐÃÅÒÈ×ÅÑÊÈÅ ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊÈ ÊÀÑÊÀÄÀ, ÐÀÁÎÒÀÞÙÅÃÎ Â ÐÅÆÈÌÅ À
Ïóñòü íà âõîä êàñêàäà ïîäàíî ñèíóñîèäàëüíîå íàïðÿæåíèå. Òîãäà ïåðåìåííàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ òîêà êîëëåêòîðà iÊ = = Imê sin wt. Âûõîäíàÿ ìîùíîñòü ïåðåìåííîãî òîêà, ôîðìèðóåìàÿ óñèëèòåëåì: 2 /2R . ÐÂÛÕ = UmÊImÊ/2 = UmÊ ÍÒ
(5.10)
Ìîùíîñòü, ïîòðåáëÿåìàÿ îò èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ: PÏ = EÏIÏ.
(5.11)
Çäåñü ñðåäíèé çà ïåðèîä êîëåáàíèÿ òîê ïèòàíèÿ IÏ = IÊÐ íå çàâèñèò îò àìïëèòóäû ñèãíàëà. Äåéñòâèòåëüíî, îò èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ ÅÏ ïîòðåáëÿåòñÿ êîëëåêòîðíûé òîê òðàíçèñòîðà (ðèñ. 5.11), è íà ñêîëüêî îí óâåëè÷èâàåòñÿ ïî îòíîøåíèþ ê IÊÐ â ïîëîæèòåëüíûé ïîëóïåðèîä, íà ñòîëüêî æå óìåíüøàåòñÿ â îòðèöàòåëüíûé ïîëóïåðèîä. Òàê áóäåò ïðîèñõîäèòü ïðè ëþáîé âåëè÷èíå ImÊ âïëîòü äî ImÊ max. Ïîýòîìó PÏ = EÏIÊÐ è íå çàâèñèò îò àìïëèòóäû êîëåáàíèÿ. Ìîùíîñòü PÏ ðàñïðåäåëÿåòñÿ íà ïîëåçíóþ PÂÛÕ, ïåðåäàâàåìóþ â RÍÒ, è ìîùíîñòü, ðàññåèâàåìóþ â òðàíçèñòîðå (â åãî êîëëåêòîðå) PÊ = PÏ PÂÛÕ. Ãðàôèêè çàâèñèìîñòè âñåõ òðåõ ìîùíîñòåé îò àìïëèòóäû êîëåáàíèÿ ïðèâåäåíû íà ðèñ. 5.12,à. Èç íèõ âèäíî, ÷òî ìîùíîñòü ïîòåðü ÐÊ ïîëó÷àåòñÿ íàèáîëüøåé â ðåæèìå ïîêîÿ, òî åñòü ïðè UmÊ = 0. Òîãäà PÂÛÕ = 0 è PÊ = PÏ, òî åñòü âñÿ PÏ èäåò íà íàãðåâ òðàíçèñòîðà. Ýòî ñàìûé òÿæåëûé åãî òåïëîâîé ðåæèì, ïðè÷åì PÊmax = PÏ = PÂÛÕ max/hAmax. à
á
Ðèñ. 5.12
ÃËÀÂÀ 5. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÓÑÈËÈÒÅËÈ
131
Êîýôôèöèåíò ïîëåçíîãî äåéñòâèÿ êàñêàäà, à òî÷íåå âûõîäíîé öåïè òðàíçèñòîðà: 15 2
3123 4 14 5 14 9 2 2 332
36 66 578
(5.12)
Çäåñü x = Umê/EÏ è xi = Imê/IÊÐ ñîîòâåòñòâåííî êîýôôèöèåíòû èñïîëüçîâàíèÿ íàïðÿæåíèÿ ïèòàíèÿ è òîêà ïèòàíèÿ êîëëåêòîðà. Åñëè ïðèíÿòü x = xi, ÷òî áëèçêî ê äåéñòâèòåëüíîñòè, òî hA = x2/2. Ãðàôèê ýòîé çàâèñèìîñòè ïîêàçàí íà ðèñ. 5.12,á. Îòñþäà ñëåäóåò, ÷òî â óñèëèòåëå ðåæèìà A ìàêñèìàëüíûé ÊÏÄ íå ìîæåò ïðåâûñèòü 50%.  ðåàëüíûõ óñòðîéñòâàõ ÊÏÄ óñèëèòåëÿ íå äîñòèãàåò ýòîãî çíà÷åíèÿ, òàê êàê ñîïðîòèâëåíèå ïåðâè÷íîé îáìîòêè r1 ¹ 0 è, êàê óæå óêàçûâàëîñü, äëÿ ñòàáèëèçàöèè ðàáî÷åé òî÷êè òðàíçèñòîðà â öåïü åãî ýìèòòåðà âêëþ÷àåòñÿ ðåçèñòîð RÝ.  ðåçóëüòàòå UÊÐ < EÏ è íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ èñïîëüçóåòñÿ íå ïîëíîñòüþ. Êðîìå òîãî, èç-çà íàëè÷èÿ îñòàòî÷íûõ íàïðÿæåíèÿ è òîêà òðàíçèñòîðà ïðîèñõîäèò äîïîëíèòåëüíîå óìåíüøåíèå UmÊ max è ImÊ max. Âñå ýòî ñíèæàåò ìàêñèìàëüíî äîñòèæèìóþ àìïëèòóäó âûõîäíîãî êîëåáàíèÿ è ÊÏÄ óñèëèòåëÿ. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Âûâåäèòå ôîðìóëó ÊÏÄ èäåàëüíîãî (r1 = RÝ = 0) îäíîòàêòíîãî òðàíñôîðìàòîðíîãî êàñêàäà. 2. Îáîñíóéòå õîä ãðàôèêîâ íà ðèñ. 5.12,à. 3. Ïðè êàêîé àìïëèòóäå êîëåáàíèÿ òåïëîâîé ðåæèì òðàíçèñòîðà ñàìûé òÿæåëûé? 5.6.2. ÄÂÓÕÒÀÊÒÍÛÉ ÓÑÈËÈÒÅËÜ. ÏÐÈÍÖÈÏ ÐÀÁÎÒÛ È ÎÑÍÎÂÍÛÅ ÑÂÎÉÑÒÂÀ ÒÐÀÍÑÔÎÐÌÀÒÎÐÍÎÃÎ ÓÑÈËÈÒÅËß
Êàê ïîêàçàíî âûøå, ìàêñèìàëüíî äîïóñòèìàÿ ìîùíîñòü, ðàññåèâàåìàÿ â òðàíçèñòîðå óñèëèòåëÿ ðåæèìà À, äîëæíà áûòü, ïî êðàéíåé ìåðå, âäâîå áîëüøå ìàêñèìàëüíîé âûõîäíîé ìîùíîñòè óñèëèòåëÿ. Ïîýòîìó âûáèðàåìûå òðàíçèñòîðû äîëæíû áûòü ðàññ÷èòàíû íà áåçîïàñíóþ ðàáîòó ïðè òàêîì çíà÷åíèè PÊ max. Íî ÷àñòî èõ ðåàëüíûå òèïû èìåþò çíà÷èòåëüíî ìåíüøóþ âåëè÷èíó äîïóñòèìîé ìîùíîñòè ðàññåÿíèÿ, è ýòî îãðàíè÷èâàåò ïðåäåëüíóþ ìîùíîñòü, îòäàâàåìóþ óñèëèòåëåì. Äëÿ åå ïîâûøåíèÿ ìîæíî ïðîñóììèðîâàòü ìîùíîñòè, ôîðìèðóåìûå íåñêîëüêèìè óñèëèòåëÿìè. Îäíèì èç âàðèàíòîâ,
132
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
Ðèñ. 5.13
ðåàëèçóþùèõ óâåëè÷åíèÿ ìîùíîñòè, ÿâëÿåòñÿ äâóõòàêòíûé óñèëèòåëü (êàñêàä), ïðåäñòàâëÿþùèé ñîáîé ïîäêëþ÷åííûå ê îäíîìó èñòî÷íèêó ïèòàíèÿ äâà îäíîòàêòíûõ êàñêàäà, âûõîäíûå êîëåáàíèÿ êîòîðûõ ñóììèðóþòñÿ ñ ïîìîùüþ âûõîäíîãî òðàíñôîðìàòîðà T2 (ðèñ. 5.13). Îáà êàñêàäà îäèíàêîâû (ñèììåòðè÷íû) è îáðàçóþò ïëå÷è äâóõòàêòíîãî óñèëèòåëÿ. Îäíàêî óïðàâëåíèå èõ ðàáîòîé äîëæíî áûòü ïðîòèâîôàçíûì, òàêèì, ïðè êîòîðîì îäíîâðåìåííî ñ îòêðûâàíèåì òðàíçèñòîðà VÒ1 ïðîèñõîäèò çàêðûâàíèå VÒ2, è íàîáîðîò. Ðàññìîòðèì íåîáõîäèìîñòü ýòîãî.  óñèëèòåëå (ðèñ. 5.13) òîê êîëëåêòîðà iÊ1, ïðîòåêàþùèé â ïåðâîì (âåðõíåì) ïëå÷å ÷åðåç ïîëîâèíó ïåðâè÷íîé îáìîòêè âûõîäíîãî òðàíñôîðìàòîðà Ò2, ñîçäàåò â íåì ÷àñòü îáùåãî ìàãíèòíîãî ïîòîêà. Âî âòîðîì (íèæíåì) ïëå÷å îäíîâðåìåííî ÷åðåç èñòî÷íèê ïèòàíèÿ è âòîðóþ ïîëîâèíó îáìîòêè âûõîäíîãî òðàíñôîðìàòîðà ïðîòåêàåò òîê êîëëåêòîðà iÊ2, ñîçäàþùèé â Ò2 ìàãíèòíûé ïîòîê, íàïðàâëåííûé â ïðîòèâîïîëîæíóþ ñòîðîíó.  ðåçóëüòàòå ìàãíèòíûå ïîòîêè, ñîçäàâàåìûå iÊ1 è iÊ2, âçàèìíî êîìïåíñèðóþòñÿ, è îáùèé ìàãíèòíûé ïîòîê òðàíñôîðìàòîðà áóäåò ðàâåí íóëþ. Åñëè ïðè ðàáîòå ïëå÷ îáà ìàãíèòíûõ ïîòîêà áóäóò îäíîâðåìåííî óâåëè÷èâàòüñÿ èëè óìåíüøàòüñÿ, òî ýòî íå èçìåíèò ðåçóëüòèðóþùåãî ìàãíèòíîãî ïîòîêà, à çíà÷èò, âî âòîðè÷íîé îáìîòêå òðàíñôîðìàòîðà Ò2 ÝÄÑ íàâîäèòüñÿ íå áóäåò, òî åñòü íå áóäåò è âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ. Äëÿ òîãî ÷òîáû â RÍ ôîðìèðîâàëîñü âûõîäíîå íàïðÿæåíèå, íåîáõîäèìî óñòðàíèòü êîìïåíñèðóþùåå âëèÿíèå ìàãíèòíûõ ïîòîêîâ ïëå÷. Ýòî ìîæíî ñäåëàòü ëèáî óìåíüøàÿ îäèí èç ìàãíèòíûõ ïîòîêîâ (íàïðèìåð, ñîçäàâàåìûé iÊ2) ïðè óâåëè÷åíèè
133
ÃËÀÂÀ 5. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÓÑÈËÈÒÅËÈ
äðóãîãî ïîòîêà (â ïðèâåäåííîì ïðèìåðå ñîçäàâàåìîãî iÊ1), ëèáî ïîëíîñòüþ èñêëþ÷èâ îäèí èç ïîòîêîâ (íàïðèìåð, ïðåêðàòèâ ðàáîòó îäíîãî èç ïëå÷). Íåîáõîäèìàÿ äëÿ ýòîãî ðàáîòà òðàíçèñòîðîâ äîñòèãàåòñÿ ïîäà÷åé óñèëèâàåìîãî íàïðÿæåíèÿ ìåæäó áàçîé è ýìèòòåðîì VT1 è VT2 ÷åðåç îáìîòêè âõîäíîãî òðàíñôîðìàòîðà T1, ïðîòèâîïîëîæíîãî ïî ôàçå. Îäíî èç íèõ èíâåðòèðîâàíî (ïåðåâåðíóòî) îòíîñèòåëüíî äðóãîãî. Ïîýòîìó âõîäíîé òðàíñôîðìàòîð T1 íàçûâàþò ôàçîèíâåðñíûì. Ðåçèñòîðû R1, R2 è RÝ òàê æå, êàê è â îäíîòàêòíîì êàñêàäå, îáåñïå÷èâàþò ñìåùåíèå è ñòàáèëèçàöèþ ðàáî÷åé òî÷êè òðàíçèñòîðîâ. Äâóõòàêòíûé êàñêàä ìîæåò ðàáîòàòü â ðåæèìàõ A, B è AB. Ð å æ è ì A. Ïóñòü óñèëèâàåòñÿ êîëåáàíèå ñèíóñîèäàëüíîé ôîðìû, à òðàíçèñòîðû îáîèõ ïëå÷ èäåíòè÷íû è ÿâëÿþòñÿ ëèíåéíûìè íåèñêàæàþùèìè óñèëèòåëüíûìè ýëåìåíòàìè. Òîãäà ïåðåìåííûå ñîñòàâëÿþùèå êîëëåêòîðíûõ òîêîâ áóäóò òîæå ñèíóñîèäàëüíûìè, è ïîëíûå êîëëåêòîðíûå òîêè ìîæíî çàïèñàòü â âèäå: iÊ1 = IÊÐ + ImÊ sin wt, (5.13) (5.14) iÊ2 = IÊÐ ImÊ sin wt, ãäå IÊÐ òîê êîëëåêòîðà îäíîãî òðàíçèñòîðà â ðàáî÷åé òî÷êå, ImÊ àìïëèòóäà ïåðåìåííîé ñîñòàâëÿþùåé òîêà êîëëåêòîðà. Ïîñêîëüêó íàïðÿæåíèÿ íà âõîäû òðàíçèñòîðîâ ïîäàþòñÿ â ïðîòèâîïîëîæíûõ ôàçàõ, òî ïåðåìåííûå ñîñòàâëÿþùèå òîêîâ òðàíçèñòîðîâ èìåþò ïðîòèâîïîëîæíûå çíàêè. Ýòèì è îáúÿñíÿåòñÿ çíàê ìèíóñ â ôîðìóëå (5.14). Âðåìåííû´å äèàãðàììû ìãíîâåííûõ çíà÷åíèé êîëëåêòîðíûõ òîêîâ èçîáðàæåíû íà ðèñ. 5.14,à è 5.14,á. ×åðåç èñòî÷íèê ïèòàíèÿ îíè ïðîòåêàþò â îäíîì íàïðàâëåíèè. Ïîýòîìó ïîëíûé òîê ïèòàíèÿ (ðèñ. 5.14,â) iÏ = iÊ1 + + iÊ2 = 2IÊÐ. Îí íå ñîäåðæèò
à
á
â
Ðèñ. 5.14
134
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
òîêà ñ ÷àñòîòîé óñèëèâàåìîãî êîëåáàíèÿ. Ýòî ïîçâîëÿåò íå áëîêèðîâàòü RÝ êîíäåíñàòîðîì. Êîëëåêòîðíûå òîêè òðàíçèñòîðîâ ïðîòåêàþò ÷åðåç ïîëîâèíû ïåðâè÷íîé îáìîòêè âûõîäíîãî òðàíñôîðìàòîðà â ïðîòèâîïîëîæíûõ íàïðàâëåíèÿõ. Ïîýòîìó ìàãíèòíûé ïîòîê â åãî ñåðäå÷íèêå ïðîïîðöèîíàëåí ðàçíîñòè òîêîâ: iÐ = iÊ1 iÊ2 = 2ImÊ sin wt
(5.15)
è íå ñîäåðæèò ïîñòîÿííîé ñîñòàâëÿþùåé. Ïîñëåäíåå îáúÿñíÿåòñÿ òåì, ÷òî ïîñòîÿííûå ñîñòàâëÿþùèå êîëëåêòîðíûõ òîêîâ ñîçäàþò ðàâíûå è ïðîòèâîïîëîæíî íàïðàâëåííûå ìàãíèòíûå ïîòîêè, êîòîðûå âçàèìíî êîìïåíñèðóþòñÿ. Ýíåðãåòè÷åñêèå ïîêàçàòåëè äâóõòàêòíîãî óñèëèòåëÿ ðåæèìà A òàêèå æå, êàê è äëÿ îäíîòàêòíîãî óñèëèòåëÿ. Ïðè ðàñ÷åòå íóæíî ëèøü ïîìíèòü, ÷òî êàæäîå èç ïëå÷ äîëæíî îáåñïå÷èòü ïîëîâèíó îáùåé âûõîäíîé ìîùíîñòè. Ð å æ è ì B. Ðåæèìîì  íàçûâàåòñÿ ðåæèì, ïðè êîòîðîì òîê ÷åðåç òðàíçèñòîð ïðîòåêàåò â òå÷åíèå òîëüêî îäíîãî ïîëóïåðèîäà óñèëèâàåìîãî êîëåáàíèÿ.  ýòîì ðåæèìå òîê ïîêîÿ òðàíçèñòîðà ðàâåí íóëþ, ÷òî óæå ïðåäîïðåäåëÿåò ïîíèæåííûé ðàñõîä òîêà ïèòàíèÿ. Òðàíçèñòîð, ðàáîòàÿ â òå÷åíèå òîëüêî ïîëîâèíû ïåðèîäà êîëåáàíèÿ, âî âòîðóþ ïîëîâèíó ïåðèîäà òîêà íå ïðîïóñêàåò è ýíåðãèè îò èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ íå ïîòðåáëÿåò. Ýòî îáóñëîâëèâàåò ïîâûøåííûé ÊÏÄ êàñêàäà â ðåæèìå B. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî ïåðåäàòî÷íûå õàðàêòåðèñòèêè òðàíçèñòîðîâ ëèíåéíûå, à óñèëèâàåìîå êîëåáàíèå ñèíóñîèäàëüíîå, ïîëó÷àåìûå â ýòîì ñëó÷àå âðåìåííû´å äèàãðàììû òîêîâ è íàïðÿæåíèé ïðèâåäåíû íà ðèñ. 5.15.  ðåæèìå B íàïðÿæåíèå ñìåùåíèÿ, ñîçäàâàåìîå íà R2, ðàâíî íóëþ. Íàïðÿæåíèÿ íà áàçàõ îòíîñèòåëüíî ýìèòòåðîâ ñèíóñîèäàëüíû è ïðîòèâîôàçíû (ðèñ. 5.15,à è á).  òå÷åíèå ïîëîæèòåëüíûõ ïîëóïåðèîäîâ íàïðÿæåíèé íà áàçàõ òðàíçèñòîðû îòêðûâàþòñÿ, è â ýòî âðåìÿ ÷åðåç íèõ ïðîòåêàþò ïîëóâîëíû òîêîâ áàç è êîëëåêòîðîâ (ðèñ. 5.15,â è ã). Òîê ÷åðåç èñòî÷íèê ïèòàíèÿ EÏ ðàâåí ñóììå òîêîâ êîëëåêòîðîâ VT1 è VT2, ïðîòåêàþùèõ êàæäûé â ñâîé ïîëóïåðèîä, è èìååò âèä, ïîêàçàííûé íà ðèñ. 5.15,ä.  ðåæèìå B â òå÷åíèå îäíîãî ïîëóïåðèîäà ìàãíèòíûé ïîòîê ñåðäå÷íèêà âûõîäíîãî òðàíñôîðìàòîðà ñîçäàåòñÿ òîêîì
135
ÃËÀÂÀ 5. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÓÑÈËÈÒÅËÈ
à
á
ä
å
â æ ã
Ðèñ. 5.15
îäíîãî òðàíçèñòîðà, à â òå÷åíèå âòîðîãî ïîëóïåðèîäà òîêîì âòîðîãî. Òðàíçèñòîðû ðàáîòàþò ñòðîãî ïîî÷åðåäíî, è ìàãíèòíûå ïîòîêè íàïðàâëåíû â ïðîòèâîïîëîæíûå ñòîðîíû. Ïîýòîìó, íåñìîòðÿ íà íàëè÷èå îòñå÷êè òîêîâ ïðè ôîðìèðîâàíèè èõ ïîëóâîëí, ìàãíèòíûé ïîòîê, à çíà÷èò, è íàïðÿæåíèå íà íàãðóçêå ñèíóñîèäàëüíû. Íàïðÿæåíèÿ íà êîëëåêòîðàõ òðàíçèñòîðîâ îòíîñèòåëüíî èõ ýìèòòåðîâ (ðèñ. 5.15,å è æ), êàê è â ðåæèìå A, ñîäåðæàò ïîñòîÿííûå è ïåðåìåííûå ñîñòàâëÿþùèå, ïðè÷åì ïîñëåäíèå âçàèìíî ïðîòèâîôàçíû.  òå÷åíèå íåðàáî÷èõ ïîëóïåðèîäîâ òðàíçèñòîðà íàïðÿæåíèå íà åãî êîëëåêòîðå íå îñòàåòñÿ íåèçìåííûì ïîòîìó, ÷òî òðàíñôîðìèðóåòñÿ èç îáìîòêè âòîðîãî (ðàáîòàþùåãî) ïëå÷à. Ïðè ìàêñèìàëüíîé àìïëèòóäå ïèêîâûå çíà÷åíèÿ íàïðÿæåíèé íà êîëëåêòîðàõ â íåðàáî÷èå ïîëóïåðèîäû ïðèáëèæàþòñÿ ê âåëè÷èíå 2EÏ. Îäíèì èç íåäîñòàòêîâ óñèëèòåëåé ðåæèìà B ÿâëÿþòñÿ ïåðåõîäíûå íåëèíåéíûå èñêàæåíèÿ òèïà «öåíòðàëüíàÿ ñòóïåíüêà», âîçíèêàþùèå èç-çà íåëèíåéíîñòè íà÷àëüíûõ ó÷àñòêîâ âõîäíîé iÁ = f (uÁÝ), à çíà÷èò, è ïåðåäàòî÷íîé iÊ = f (uÁÝ) õàðàêòåðèñòèê òðàíçèñòîðà. Äëÿ ãðàôè÷åñêîãî ïðåäñòàâëåíèÿ ïîëó÷àåìîãî êîëåáàíèÿ ïåðåäàòî÷íûå õàðàêòåðèñòèêè òðàíçèñòîðîâ íà ðèñ. 5.16,à ïîñòðîåíû âî âçàèìíî ïðîòèâîïîëîæíûõ íàïðàâëåíèÿõ, ó÷èòûâàþùèõ ïðîòèâîôàçíîñòü âõîäíûõ íàïðÿæåíèé ïëå÷. Åñëè âõîäíîå íàïðÿæåíèå uÁÝ~ ñèíóñîèäàëüíî, òî â óñèëèòåëå ðåæèìà B èç-çà íåëèíåéíîñòè íà÷àëüíûõ ó÷àñòêîâ
136 à
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
á
Ðèñ. 5.16
ïåðåäàòî÷íûõ õàðàêòåðèñòèê òðàíçèñòîðîâ â ìåñòàõ ïåðåõîäà ÷åðåç íóëü ðàçíîñòíîãî òîêà iÐ (t) = iÊ1 iÊ2, ñîçäàþùåãî ìàãíèòíûé ïîòîê â âûõîäíîì òðàíñôîðìàòîðå, âûõîäíîå êîëåáàíèå ïðèîáðåòàåò èñêðèâëåíèÿ íàïîäîáèå ñòóïåíåê (ðèñ. 5.16,à). Äëÿ èõ óñòðàíåíèÿ ïðèìåíÿåòñÿ ðåæèì AB, â êîòîðîì èñõîäíûå ðàáî÷èå òî÷êè òðàíçèñòîðîâ âûáèðàþòñÿ íå â ñàìîì íà÷àëå õàðàêòåðèñòèê. Íà ðèñ. 5.16,á ïåðåäàòî÷íûå õàðàêòåðèñòèêè òðàíçèñòîðîâ ñîâìåùåíû ïî âõîäíûì íàïðÿæåíèÿì uÁÝ â ðàáî÷èõ òî÷êàõ A è A¢. Òîãäà ïåðåäàòî÷íàÿ õàðàêòåðèñòèêà êàñêàäà (õàðàêòåðèñòèêà ðàçíîñòíîãî òîêà) îêàçûâàåòñÿ ïðÿìîé (íàíåñåíà øòðèõàìè), áëàãîäàðÿ ÷åìó íà âðåìåííî´é äèàãðàììå ðàçíîñòíîãî òîêà iÐ (t) ñòóïåíåê íå âîçíèêàåò. Çíà÷èò, íå áóäåò èõ è â âûõîäíîì íàïðÿæåíèè. Çäåñü ïðè ìàëûõ òîêàõ ðàáîòàþò îáà ïëå÷à, ïîäîáíî ðåæèìó A. Òàêèì îáðàçîì, â ðåæèìå AB òîêè ïîêîÿ òðàíçèñòîðîâ íå ðàâíû íóëþ. Èç-çà ýòîãî ÊÏÄ óñèëèòåëÿ ïîëó÷àåòñÿ íåñêîëüêî íèæå, ÷åì â ðåæèìå B, îäíàêî âåñüìà íåçíà÷èòåëüíî. Ðåæèì AB íà ïðàêòèêå íàõîäèò íàèáîëüøåå ïðèìåíåíèå, òàê êàê îí äàåò ñðàâíèòåëüíî íåáîëüøèå íåëèíåéíûå èñêàæåíèÿ, à ïî ÊÏÄ ëèøü íåçíà÷èòåëüíî óñòóïàåò ðåæèìó B. Åùå îäíèì íåäîñòàòêîì êëàññè÷åñêîé äâóõòàêòíîé ñõåìû (ðèñ. 5.13) ïðè ðàáîòå â ðåæèìå B ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî â ëþáîé ïîëóïåðèîä êîëåáàíèÿ ðàáîòàåò òîëüêî îäíà ïîëîâèíà ïåðâè÷íîé îáìîòêè âûõîäíîãî òðàíñôîðìàòîðà. Âòîðàÿ ïîëîâèíà íå èñïîëüçóåòñÿ, òî åñòü íàïðàñíî çàíèìàåò ìåñòî. Ýòî óõóäøàåò êà÷åñòâåííûå ïîêàçàòåëè òðàíñôîðìàòîðà.
137
ÃËÀÂÀ 5. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÓÑÈËÈÒÅËÈ
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Ïî÷åìó âõîäíûå íàïðÿæåíèÿ òðàíçèñòîðîâ äâóõòàêòíîãî êàñêàäà äîëæíû áûòü âçàèìíî ïðîòèâîôàçíû? 2. Èçîáðàçèòå îñöèëëîãðàììû òîêîâ è íàïðÿæåíèé òðàíçèñòîðîâ äâóõòàêòíîãî êàñêàäà â ðåæèìàõ À è B. 3.  ÷åì ïðè÷èíà íåëèíåéíûõ èñêàæåíèé òèïà «ñòóïåíüêà», ïðèñóùèõ ðåæèìó B? Áëàãîäàðÿ ÷åìó îíè îòñóòñòâóþò â ðåæèìå AB? 5.6.2.1. ÝÍÅÐÃÅÒÈ×ÅÑÊÈÅ ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊÈ ÄÂÓÕÒÀÊÒÍÎÃÎ ÊÀÑÊÀÄÀ  ÐÅÆÈÌÅ B
Ïðè ðàññìîòðåíèè ýíåðãåòè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê äâóõòàêòíîãî óñèëèòåëÿ ðåæèìà  ó÷òåì, ÷òî òîê ïîêîÿ òðàíçèñòîðîâ î÷åíü ìàë (ïðàêòè÷åñêè ðàâåí íóëþ) è íå áóäåì åãî ó÷èòûâàòü.  ýòîì ñëó÷àå èñõîäíàÿ ðàáî÷àÿ òî÷êà À (ðèñ. 5.17,à) ðàñïîëàãàåòñÿ íà îñè àáñöèññ ïðè uÊÝ = ÅÏ. Òåïåðü ñîïðîòèâëåíèå íàãðóçêè òðàíçèñòîðà îäíîãî ïëå÷à RÍÒ1 = RÍ/121 hÒÐ, ãäå nÏ = w2/0,5w1 êîýôôèöèåíò òðàíñôîðìàöèè îäíîãî ïëå÷à âûõîäíîãî òðàíñôîðìàòîðà; hÒÐ ÊÏÄ âûõîäíîãî òðàíñôîðìàòîðà. Ýòî ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî ïðè ïîî÷åðåäíîñòè ðàáîòû ïëå÷ â ðåæèìå B êàæäàÿ ïîëîâèíà ïåðâè÷íîé îáìîòêè Ò2 (ðèñ. 5.13) ïðîïóñêàåò òîê ëèøü â òå÷åíèå ðàáî÷åãî ïîëóïåðèîäà ïîäêëþ÷åííîãî ê íåé òðàíçèñòîðà.  äðóãîé ïîëóïåðèîä îíà îòêëþ÷åíà è â ðàáîòå íå ó÷àñòâóåò. Ïðèâåäåííîå (ïåðåñ÷èòàííîå) ñîïðîòèâëåíèå íàãðóçêè RÍÒ1 êàê áû ïåðåêëþ÷àåòñÿ ÷åðåç ïîëïåðèîäà îò îäíîãî ïëå÷à ê äðóãîìó, îáåñïå÷èâàÿ èçìåíåíèå çíàêà âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ. Ïîýòîìó íàãðóçî÷íàÿ ïðÿìàÿ äëÿ ïåðåìåííîãî òîêà ïðîâîäèòñÿ èç òî÷êè À ïîä óãëîì j~ = arcctg RÍÒ1. Êàê âèäíî èç à
á
Ðèñ. 5.17
138
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
ðèñ. 5.17,à, ìàêñèìàëüíàÿ àìïëèòóäà íàïðÿæåíèÿ íà âûõîäå ëþáîãî èç òðàíçèñòîðîâ êàñêàäà ïðè ïðåíåáðåæåíèè îñòàòî÷íûìè íàïðÿæåíèÿìè íà íèõ ðàâíà EÏ. Òðàíçèñòîðû ðàáîòàþò ïîî÷åðåäíî, ôîðìèðóÿ îáùåå êîëåáàíèå, ïîýòîìó ðàñ÷åòû óäîáíåå ïðîâîäèòü íà ñóììàðíûå ìîùíîñòè, îòðàæàþùèå ýíåðãåòè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè êàñêàäà â öåëîì. Ïðè íàõîæäåíèè ìîùíîñòè, ïîòðåáëÿåìîé îò èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ ÐÏÈÒ = ÅÏIÏ ÑÐ, îòìåòèì, ÷òî ñðåäíåå çíà÷åíèå (ïîñòîÿííàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ) òîêà ïèòàíèÿ (ðèñ. 5.15,ä) îïðåäåëÿåòñÿ óñðåäíåííîé çà ïåðèîä T ïëîùàäüþ ïîä êðèâîé ýòîãî òîêà è çàâèñèò îò åãî àìïëèòóäû. Ââèäó ïîâòîðÿåìîñòè ôîðìû óñðåäíåíèå äîñòàòî÷íî ïðîâåñòè ëèøü çà îäíó ÷åòâåðòü ïåðèîäà (ðèñ. 5.17,á): 25 67
2 8 1 23
1 23
4 1
2 14 9 333 2
32 14 9 3 1
1
1 23
2
32 14 1
ãäå J = wt òåêóùàÿ ôàçà; p/2 ÷åòâåðòü ïåðèîäà, âûðàæåííàÿ â åäèíèöàõ òåêóùåé ôàçû (ðàäèàíàõ). Òîãäà ìîùíîñòü, ïîòðåáëÿåìàÿ îò èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ êàñêàäà: 52 (5.16) 32 1 42 22 34 1 11 42 6 2 à åãî âûõîäíàÿ ìîùíîñòü: PÂÛÕ = UmÊImÊ/2.
(5.17)
ÊÏÄ âûõîäíîé öåïè òðàíçèñòîðîâ áóäåò ðàâíî: 25 3
2123 3 14 4 14 1 3 3 1 47 56 8 84 14 66 9
(5.18)
ãäå x = UmÊ/EÏ êîýôôèöèåíò èñïîëüçîâàíèÿ íàïðÿæåíèÿ ïèòàíèÿ. Ãðàôèê ÊÏÄ ïîñòðîåí íà ðèñ. 5.18,à.  ðåæèìå B îí ëèíåéíî çàâèñèò îò àìïëèòóäû óñèëèâàåìîãî êîëåáàíèÿ. Ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå ÊÏÄ ñîñòàâëÿåò p/4 èëè 78,5%. Òàêèì îáðàçîì, âûèãðûø ïî ÊÏÄ ïî ñðàâíåíèþ ñ ðåæèìîì A ïðè ìàêñèìàëüíîé àìïëèòóäå ñîñòàâëÿåò ïðèìåðíî 1,5 ðàçà. Ïðè ìàëûõ àìïëèòóäàõ (ó÷èòûâàÿ êâàäðàòè÷íûé õàðàêòåð hÀ) âûèãðûø íàìíîãî áîëüøå. Íàïðèìåð, ïðè ðàäèîâåùàòåëüíûõ ñèãíàëàõ èõ àìïëèòóäà â ñðåäíåì ñîñòàâëÿåò ëèøü 30% îò ìàêñèìàëüíîé è âûèãðûø ïî ÊÏÄ â ðåæèìå B ñîñòàâëÿåò áîëåå 5 ðàç. Çíà÷èòåëüíîå ïîâûøåíèå ñðåäíåýêñïëóàòàöèîííîãî
ÃËÀÂÀ 5. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÓÑÈËÈÒÅËÈ
à
139
á
Ðèñ. 5.18
ÊÏÄ ÿâëÿåòñÿ ãëàâíûì ïðåèìóùåñòâîì äâóõòàêòíûõ êàñêàäîâ â ðåæèìå B. Ãðàôèêè ìîùíîñòåé (â çàâèñèìîñòè îò UmÊ è îò x) ïîñòðîåíû íà ðèñ. 5.18,á. Îíè ñîîòâåòñòâóþò ôîðìóëàì (5.16) è (5.17), ãäå ImÊ = UmÊ/RÍÒ1. Ñóììàðíàÿ ìîùíîñòü ïîòåðü â êîëëåêòîðàõ äâóõ òðàíçèñòîðîâ ïëå÷ PÊ = PÏ PÂÛÕ (ðèñ. 5.18,á) â îòëè÷èå îò ðåæèìà A èìååò ìàêñèìóì ïðè íåêîòîðîì çíà÷åíèè àìïëè* . Ìîæíî ïîêàçàòü, ÷òî ñîîòâåòñòâóþùåå x* = 0,637, à òóäû UmÊ âåëè÷èíà ìàêñèìóìà PÊ max » 0,4PÂÛÕ max ÒÅÎÐ, ãäå PÂÛÕ max ÒÅÎÐ = = EÏ2/2RÍÒ1 òåîðåòè÷åñêè ìàêñèìàëüíàÿ âûõîäíàÿ ìîùíîñòü êàñêàäà, äîñòèãàåìàÿ ïðè ðàâåíñòâå íóëþ îñòàòî÷íûõ íàïðÿæåíèé òðàíçèñòîðîâ. Ìîùíîñòü, âûäåëÿþùàÿñÿ íà îäíîì èç òðàíçèñòîðîâ, ñîñòàâëÿåò PÊ max1 » 0,2PÂÛÕ max ÒÅÎÐ. Ýòî âûãîäíî îòëè÷àåò òàêèå óñèëèòåëè îò óñèëèòåëåé ðåæèìà À. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Âûâåäèòå ôîðìóëó äëÿ ÊÏÄ óñèëèòåëÿ ðåæèìà B. Ïîñòðîéòå ãðàôèê çàâèñèìîñòè h îò x. 2. Ïîñòðîéòå ãðàôèêè çàâèñèìîñòè ìîùíîñòåé PÏ è PÊ îò àìïëèòóäû êîëåáàíèÿ. Îáúÿñíèòå õîä êðèâûõ ïðè ïîìîùè ïðîñòåéøèõ ôîðìóë. 3. ×åìó ðàâíû ìàêñèìàëüíûå ìîùíîñòè ïîòåðü, ðàññåèâàåìûå â òðàíçèñòîðàõ óñèëèòåëÿ ðåæèìà B? 5.6.3. ÄÂÓÕÒÀÊÒÍÛÅ ÊÀÑÊÀÄÛ Ñ ÁÅÑÒÐÀÍÑÔÎÐÌÀÒÎÐÍÛÌ ÂÛÕÎÄÎÌ
Âûõîäíîé òðàíñôîðìàòîð èìååò âûñîêóþ ñòîèìîñòü, áîëüøèå ðàçìåðû è ìàññó, âíîñèò ÷àñòîòíûå è íåëèíåéíûå èñêàæåíèÿ è ïåðåäàåò ýíåðãèþ â íàãðóçêó ñ ïîòåðÿìè: ÊÏÄ âûõîäíîãî òðàíñôîðìàòîðà îáû÷íî ëåæèò â ïðåäåëàõ 0,70,95.
140
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
Êðîìå òîãî, òðàíñôîðìàòîð âíîñèò áîëüøèå ôàçîâûå ñäâèãè íà êðàÿõ ðàáî÷åãî äèàïàçîíà ÷àñòîò, ÷òî ïðåïÿòñòâóåò îõâàòó îêîíå÷íîãî êàñêàäà ãëóáîêîé îòðèöàòåëüíîé îáðàòíîé ñâÿçüþ, òàê êàê ñâÿçü ñòàíîâèòñÿ êîìïëåêñíîé, ÷òî íàðóøàåò óñòîé÷èâîñòü (ïðèâîäèò ê ñàìîâîçáóæäåíèþ). Ïîýòîìó øèðîêîå ïðèìåíåíèå íàõîäÿò áåñòðàíñôîðìàòîðíûå êàñêàäû.  íèõ RÍ ïîäêëþ÷àåòñÿ ê òðàíçèñòîðàì íåïîñðåäñòâåííî, òî åñòü áåç òðàíñôîðìàòîðà. Îäíà èç ñõåì äâóõòàêòíîãî êàñêàäà áåç âûõîäíîãî òðàíñôîðìàòîðà ïðèâåäåíà íà ðèñ. 5.19,à. Çäåñü íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ êàæäîãî èç ïëå÷ ðàâíî EÏ/2. Ïðîòèâîôàçíîñòü íàïðÿæåíèé íà RÍ â ñîñåäíèõ ïîëóïåðèîäàõ äîñòèãàåòñÿ ïîäêëþ÷åíèåì îäíîãî èç åãî âûâîäîâ ê âçàèìîñîåäèíåííûì ðàçíîèìåííûì ïîëþñàì èñòî÷íèêîâ ïèòàíèÿ ïëå÷. Ïîëÿðíîñòü âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ â ïîëóïåðèîäû ðàáîòû âåðõíåãî è íèæíåãî ïëå÷ ïîêàçàíà çíàêàìè, ïîñòàâëåííûìè ñîîòâåòñòâåííî ñâåðõó è ñíèçó îò RÍ. Êàñêàä ìîæåò ðàáîòàòü â ðåæèìàõ A, B èëè AB. Ïî ñõåìå ðèñ. 5.19,à îí ðàáîòàåò â ðåæèìå B, òàê êàê ñìåùåíèÿ íà òðàíçèñòîðû çäåñü íå ïîäàþòñÿ. Âõîäíûå ïåðåìåííûå íàïðÿæåíèÿ íà áàçû òðàíçèñòîðîâ ïîäâîäÿòñÿ ñî âòîðè÷íûõ îáìîòîê ôàçîèíâåðñíîãî òðàíñôîðìàòîðà T1. Èõ ïðîòèâîôàçíîñòü ïîêàçàíà ïåðåêðåùèâàíèåì âûâîäîâ îäíîé èç îáìîòîê. Ïîä äåéñòâèåì ýòèõ íàïðÿæåíèé ÷åðåç òðàíçèñòîðû VT1 è VT2 îò èñòî÷íèêîâ ïèòàíèÿ ïëå÷ ïðîòåêàþò òîêè (íà ðèñ. 5.19,à îíè ïîêàçàíû ñòðåëêàìè), ôîðìà êîòîðûõ ñîîòâåòñòâóåò iÊ1 èëè iÊ2 íà ðèñ. 5.15,â è ã. Íåäîñòàòêîì ñõåìû ðèñ. 5.19,à ÿâëÿåòñÿ íåîáõîäèìîñòü ïðèìåíåíèÿ äâóõ èñòî÷íèêîâ ïèòàíèÿ. à
á
Ðèñ. 5.19
ÃËÀÂÀ 5. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÓÑÈËÈÒÅËÈ
141
Ýòîò íåäîñòàòîê óñòðàíåí â ñõåìå ðèñ. 5.19,á, â êîòîðîé äëÿ ïèòàíèÿ êàñêàäà òðåáóåòñÿ ëèøü îäèí èñòî÷íèê ñ íàïðÿæåíèåì, ðàâíûì ñóììå íàïðÿæåíèé ïèòàíèÿ îòäåëüíûõ ïëå÷.  òàêîì óñèëèòåëå ïðè îäèíàêîâûõ òðàíçèñòîðàõ ïëå÷ â èñõîäíîì ñîñòîÿíèè íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ EÏ äåëèòñÿ ìåæäó íèìè ïîðîâíó, è ïîýòîìó êîíäåíñàòîð C, ïîäêëþ÷åííûé (÷åðåç RÍ) ïàðàëëåëüíî VT2, çàðÿæåí äî íàïðÿæåíèÿ, ðàâíîãî EÏ/2. Åñëè íàïðÿæåíèå ñìåùåíèÿ íà òðàíçèñòîðû íå ïîäàåòñÿ (R2 = R4 = 0), òî îíè ðàáîòàþò â ðåæèìå B, òî åñòü ñòðîãî ïîî÷åðåäíî.  ïåðâûé ïîëóïåðèîä ðàáîòàåò VT1. Ïðè ýòîì èñòî÷íèê ïèòàíèÿ è êîíäåíñàòîð C âêëþ÷åíû ïîñëåäîâàòåëüíî è âñòðå÷íî, ïîýòîìó èõ íàïðÿæåíèÿ âû÷èòàþòñÿ. Òîãäà ðåçóëüòèðóþùåå íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ âåðõíåãî ïëå÷à ñîñòàâëÿåò ÅÏ ÅÏ/2 = ÅÏ/2.  ýòîò ïîëóïåðèîä êîíäåíñàòîð Ñ íåñêîëüêî ïîäçàðÿæàåòñÿ, òàê êàê òîê íàãðóçêè ïðîòåêàåò ÷åðåç íåãî ñëåâà íàïðàâî. Ïîëÿðíîñòü íàïðÿæåíèÿ, ôîðìèðóåìîãî íà RÍ, ïîêàçàíà ñïðàâà.  äðóãîé ïîëóïåðèîä ðàáîòàåò VT2, à èñòî÷íèêîì ïèòàíèÿ ñëóæèò êîíäåíñàòîð C ñ íàïðÿæåíèåì íà íåì, ðàâíûì EÏ/2.  ýòîò ïîëóïåðèîä êîíäåíñàòîð Ñ ÷àñòè÷íî ðàçðÿæàåòñÿ, à íàïðÿæåíèå íà íàãðóçêå èìååò ïðîòèâîïîëîæíûå çíàêè (íà ðèñ. 5.19,á ïîêàçàíî ñëåâà). Òàêèì îáðàçîì, òîê ÷åðåç íàãðóçêó RÍ â ðàçíûå ïîëóïåðèîäû ïðîòåêàåò â ïðîòèâîïîëîæíûõ íàïðàâëåíèÿõ, òî ïîäçàðÿæàÿ, òî ðàçðÿæàÿ êîíäåíñàòîð Ñ, íî â ñðåäíåì çà ïåðèîä íàïðÿæåíèå íà íåì îñòàåòñÿ îäíèì è òåì æå.  ýòîì ñëó÷àå íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ êàæäîãî ïëå÷à ðàâíî EÏ/2, òî åñòü òàêîå æå, êàê è â ñõåìå, ðèñ. 5.19,à. Îò EÏ òîê ïîòðåáëÿåòñÿ ëèøü ïðè ðàáîòå VT1 è èìååò âèä, ïîêàçàííûé íà ðèñ. 5.15,â. Îäíàêî òîëüêî ïîëîâèíà ïîòðåáëÿåìîé â ýòîì ñëó÷àå ìîùíîñòè ðàñõîäóåòñÿ íà ôîðìèðîâàíèå âûõîäíîãî êîëåáàíèÿ âåðõíèì ïëå÷îì, íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ êîòîðîãî EÏ/2. Âòîðàÿ ïîëîâèíà çàïàñàåòñÿ â êîíäåíñàòîðå C (íàïðÿæåíèå íà êîòîðîì òîæå EÏ/2) è ðàñõîäóåòñÿ â äðóãîé ïîëóïåðèîä, ðàçðÿæàÿ C òàêèì æå òîêîì (ðèñ. 5.15,ã). Ñëåäîâàòåëüíî, ìîùíîñòü, ïîòðåáëÿåìàÿ îò EÏ, ðàâíà ñóììå ìîùíîñòåé, ðàñõîäóåìûõ êàæäûì èç ïëå÷ ñ íàïðÿæåíèåì ïèòàíèÿ EÏ/2 â ñâîé ïîëóïåðèîä, à ýíåðãåòè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè óñèëèòåëÿ ñîâïàäàþò ñ àíàëîãè÷íûìè äëÿ óñèëèòåëÿ ðèñ. 5.19,à.
142
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
Äëÿ ïåðåâîäà òðàíçèñòîðîâ â ðåæèì AB íà íèõ íåîáõîäèìî ïîäàòü íåáîëüøîå íà÷àëüíîå ñìåùåíèå. Äëÿ ýòîãî íà ðèñ. 5.19,á â êàæäîì ïëå÷å âêëþ÷åíû ðåçèñòîðíûå äåëèòåëè, èçîáðàæåííûå øòðèõàìè. Ïîñòîÿííûå íàïðÿæåíèÿ, ñíèìàåìûå ñ èõ íèæíèõ ïëå÷ (R2, R4), è èñïîëüçóþòñÿ â êà÷åñòâå íàïðÿæåíèé ñìåùåíèÿ. Åñëè óâåëè÷èòü R2 è R4, òî ñìåùåíèå íà òðàíçèñòîðàõ óâåëè÷èòñÿ, è îíè áóäóò ðàáîòàòü â ðåæèìå À èëè A.  ïîñëåäíåì ñëó÷àå ýíåðãåòè÷åñêèå ñîîòíîøåíèÿ áóäóò òåìè æå, ÷òî è â òðàíñôîðìàòîðÐèñ. 5.20 íîì êàñêàäå ðåæèìà A. Åñëè íà ðèñ. 5.19,á âçÿòü òðàíçèñòîðû âçàèìíî ïðîòèâîïîëîæíûõ òèïîâ ïðîâîäèìîñòè òàê, ÷òîáû îíè ñîåäèíÿëèñü ýìèòòåðàìè, òî ïîëó÷èì óñèëèòåëü (ðèñ. 5.20), íå òðåáóþùèé ôàçîèíâåðñíîãî òðàíñôîðìàòîðà. Çäåñü îáà òðàíçèñòîðà óïðàâëÿþòñÿ îäíèì è òåì æå âõîäíûì íàïðÿæåíèåì. Ïî ñâîåé ñòðóêòóðå òàêîé êàñêàä ÿâëÿåòñÿ ýìèòòåðíûì ïîâòîðèòåëåì, è ïîýòîìó êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è åãî ìåíüøå åäèíèöû. Ðåçèñòèâíûé äåëèòåëü R1R4 ñëóæèò äëÿ ïîäà÷è íà÷àëüíîãî ñìåùåíèÿ íà òðàíçèñòîðû ñ öåëüþ ïåðåâîäà èõ â ðåæèì AB.  êà÷åñòâå ñóììàðíîãî íàïðÿæåíèÿ ñìåùåíèÿ äâóõ òðàíçèñòîðîâ èñïîëüçóåòñÿ îáùåå íàïðÿæåíèå íà R2 è R3. Êîíäåíñàòîð C1 ÿâëÿåòñÿ ðàçäåëèòåëüíûì. Âî âðåìÿ ðàáîòû íàïðÿæåíèå íà íåì íå èçìåíÿåòñÿ, òàê êàê âõîäíîé òîê êàñêàäà (îí â îñíîâíîì ñîñòîèò èç òîêîâ áàç òðàíçèñòîðîâ) ïðîòåêàåò â ðàçíûå ïîëóïåðèîäû â ðàçëè÷íûõ íàïðàâëåíèÿõ. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Ðàññêàæèòå, êàê ðàáîòàåò êàñêàä ïî ñõåìå ðèñ. 5.19,à. 2. ×åì îòëè÷àåòñÿ ðàáîòà êàñêàäà ïî ñõåìå ðèñ. 5.19,á? 3. Èçîáðàçèòå âðåìåííû´å äèàãðàììû òîêîâ, ïðîòåêàþùèõ ÷åðåç òðàíçèñòîðû è èñòî÷íèê ïèòàíèÿ äëÿ ñõåìû ðèñ. 5.19,á â ðåæèìå B. 4. Èçîáðàçèòå ñõåìó óñèëèòåëÿ, íå òðåáóþùåãî ôàçîèíâåðñíîãî òðàíñôîðìàòîðà. Ðàññêàæèòå îá îñîáåííîñòÿõ åå ðàáîòû.
143
ÃËÀÂÀ 5. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÓÑÈËÈÒÅËÈ
5.6.3.1. ÄÂÓÕÊÀÑÊÀÄÍÛÅ ÓÑÈËÈÒÅËÈ Ñ ÄÂÓÕÒÀÊÒÍÛÌ ÁÅÑÒÐÀÍÑÔÎÐÌÀÒÎÐÍÛÌ ÂÛÕÎÄÎÌ
 çàêëþ÷åíèå ðàññìîòðèì òèïîâóþ ñõåìó äâóõêàñêàäíîãî áåñòðàíñôîðìàòîðíîãî óñèëèòåëÿ (ðèñ. 5.21) ñ äâóõòàêòíûì âûõîäíûì êàñêàäîì. Îíà îòëè÷àåòñÿ îò ñõåìû ðèñ. 5.20 òåì, ÷òî âìåñòî R4 âêëþ÷åí òðàíçèñòîð VT3 ïåðâîãî êàñêàäà, êîòîðûé ðàáîòàåò â ðåæèìå A, è â èñõîäíîì ñîñòîÿíèè íàïðÿæåíèå íà åãî êîëëåêòîðå áëèçêî ê EÏ/2. Äëÿ íà÷àëüíîãî ñìåùåíèÿ ðàáî÷èõ òî÷åê òðàíçèñòîðîâ VT1 è VT2 äâóõòàêòíîãî êàñêàäà ïðèìåíåí ïðÿìîñìåùåííûé äèîä VD1 (èíîãäà âìåñòî íåãî èñïîëüçóåòñÿ ðåçèñòîð). Ñ ïîìîùüþ ðåçèñòîðîâ R2, R3 è RÝ çàäàþò íà÷àëüíîå ñìåùåíèå è ñòàáèëèçèðóþò ðàáî÷óþ òî÷êó VT3. Ïîäêëþ÷åíèå R2 ê òî÷êå ñîåäèíåíèÿ ýìèòòåðîâ VT1 è VT2 ïîçâîëÿåò îõâàòèòü îòðèöàòåëüíîé îáðàòíîé ñâÿçüþ âåñü óñèëèòåëü, ÷òî óëó÷øàåò åãî ñòàáèëüíîñòü è êà÷åñòâåííûå ïîêàçàòåëè. Òðàíçèñòîðû VT1 è VT2 ðàáîòàþò â ðåæèìå ïîâòîðèòåëåé, ïîýòîìó äëÿ èõ ïîëíîãî îòêðûâàíèÿ (êîãäà UmÊ » EÏ/2) íåîáõîäèìî íà âõîä òðàíçèñòîðîâ ïîäàâàòü íàïðÿæåíèå, ïðåâûøàþùåå âûõîäíîå, òî åñòü ñ àìïëèòóäîé, áîëüøåé, ÷åì EÏ/2, äëÿ êàæäîãî ïîëóïåðèîäà. Ñ ïîìîùüþ VT3, ïèòàåìîãî îò EÏ, ýòî îáåñïå÷èòü íåâîçìîæíî. Ïîýòîìó ââîäÿò öåïü âîëüòîäîáàâêè (Ñ2, R5 íà ðèñ. 5.21,à). à
á
Ðèñ. 5.21
144
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
Âåðõíèé âûâîä R1 ïîäêëþ÷àþò ê Ñ2, êàê ïîêàçàíî øòðèõàìè. Áëàãîäàðÿ ýòîìó â çàïèðàþùèé äëÿ VT3 ïîëóïåðèîä åãî íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ âîçðàñòàåò äî âåëè÷èíû ÅÏ + UR5, ÷òî îáåñïå÷èâàåò ïðîòåêàíèå íåîáõîäèìîãî òîêà áàçû VT1 ÷åðåç R1 îò íàïðÿæåíèÿ íà êîíäåíñàòîðå C2 è ïîëíîå îòêðûâàíèå ýòîãî òðàíçèñòîðà. Íà ðèñ. 5.21,á ïðèâåäåí óñèëèòåëü ñ óñîâåðøåíñòâîâàííîé ñõåìîé âîëüòîäîáàâêè.  íåé, â îòëè÷èå îò ðèñ. 5.21,à, êîíäåíñàòîð C2 ïîäêëþ÷åí ê ðåçèñòîðó R1 íå ïîñòîÿííî, à ëèøü ïðè ïîëîæèòåëüíîé ïîëóâîëíå íàïðÿæåíèÿ íà íàãðóçêå. Ïðè îòðèöàòåëüíîé ïîëóâîëíå çàêðûâàþùèéñÿ äèîä VD3 è îòêðûâàþùèéñÿ VD4 ïåðåêëþ÷àþò C2 äëÿ çàðÿäà ÷åðåç ðåçèñòîð R5, à ïèòàíèå ïåðâîãî êàñêàäà îñóùåñòâëÿåòñÿ ÷åðåç îòêðûòûé äèîä VD2. Òàêàÿ öåïü âîëüòîäîáàâêè ñíèæàåò ïîòåðè ýíåðãèè â óñèëèòåëå, ïîâûøàåò åãî ýêîíîìè÷íîñòü, ïîçâîëÿåò óìåíüøèòü òðåáóåìóþ åìêîñòü êîíäåíñàòîðà âîëüòîäîáàâêè C2 è îñîáåííî ýôôåêòèâíà ïðè èñïîëüçîâàíèè â íèçêîâîëüòíîé àïïàðàòóðå. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû 1. Êàêóþ äîëþ îò EÏ ñîñòàâëÿåò ïîñòîÿííîå íàïðÿæåíèå íà êîëëåêòîðå VT3? 2. Äëÿ ÷åãî íåîáõîäèìû R5 è C2 (ðèñ. 5.21,à)? 5.6.4. ÝÍÅÐÃÅÒÈ×ÅÑÊÈ ÂÛÑÎÊÎÝÔÔÅÊÒÈÂÍÛÅ ÓÑÈËÈÒÅËÈ
Øèðîêîå ðàñïðîñòðàíåíèå ìîáèëüíûõ ðàäèîýëåêòðîííûõ ñðåäñòâ è ìèêðîìèíèàòþðèçàöèÿ àïïàðàòóðû ïîòðåáîâàëè ñîçäàíèÿ ðàäèîýëåêòðîííûõ óñòðîéñòâ çíà÷èòåëüíîé âûõîäíîé ìîùíîñòè, èìåþùèõ íåáîëüøèå ãàáàðèòû.  ðàññìîòðåííûõ ðàíåå óñèëèòåëÿõ ðåæèìîâ À è  çíà÷èòåëüíàÿ ÷àñòü ïîòðåáëÿåìîé îò èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ ìîùíîñòè ðàñõîäóåòñÿ íà íàãðåâ àêòèâíûõ ýëåìåíòîâ, ÷òî òðåáóåò ïðèìåíåíèÿ ãðîìîçäêèõ ðàäèàòîðîâ, óâåëè÷èâàþùèõ ðàçìåðû àïïàðàòóðû.  óñèëèòåëÿõ ðåæèìà À âåëè÷èíà ðàññåèâàåìîé ìîùíîñòè ïðåâûøàåò óäâîåííîå çíà÷åíèå ìàêñèìàëüíîé âûõîäíîé ìîùíîñòè.  óñèëèòåëÿõ ðåæèìà  îíà çíà÷èòåëüíî ìåíüøå, íî âñå ðàâíî ñîñòàâëÿåò áîëåå 40% îò ÐÂÛÕ max. Ïîýòîìó áûëè ïðåäëîæåíû è ðàçðàáàòûâàþòñÿ óñèëèòåëè, ó êîòîðûõ ìîùíîñòè ïîòåðü â àêòèâíûõ ýëåìåíòàõ èìåþò çíà÷åíèÿ ïîðÿäêà åäè-
ÃËÀÂÀ 5. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÓÑÈËÈÒÅËÈ
145
íèö ïðîöåíòîâ. Îäíèìè èç íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûõ â íàñòîÿùåå âðåìÿ ýíåðãåòè÷åñêè âûñîêîýôôåêòèâíûõ óñèëèòåëåé ÿâëÿþòñÿ óñèëèòåëè ðåæèìîâ D è ÂÑ.  óñèëèòåëÿõ ðåæèìà D àêòèâíûé ýëåìåíò (íàïðèìåð, òðàíçèñòîð) ðàáîòàåò â êëþ÷åâîì ðåæèìå: ëèáî ïîëíîñòüþ îòêðûò, êîãäà îñòàòî÷íîå íàïðÿæåíèå íà òðàíçèñòîðå áëèçêî ê íóëþ; ëèáî ïîëíîñòüþ çàêðûò, êîãäà òîê ÷åðåç òðàíçèñòîð íå ïðîòåêàåò.  îáîèõ ñëó÷àÿõ ìîùíîñòü, âûäåëÿþùàÿñÿ â íåì (îïðåäåëÿåìàÿ ïðîèçâåäåíèåì íàïðÿæåíèÿ íà òðàíçèñòîðå íà ïðîòåêàþùèé ÷åðåç íåãî òîê), áëèçêà ê íóëþ, à âñÿ ïîòðåáëÿåìàÿ îò ÅÏ ìîùíîñòü èñïîëüçóåòñÿ äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ êîëåáàíèÿ â íàãðóçêå, òî åñòü ÊÏÄ òàêîãî óñèëèòåëÿ hD » 1. Îò èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ ýíåðãèÿ ïîòðåáëÿåòñÿ íå ïîñòîÿííî, à ïîðöèÿìè, è òîëüêî ÷àñòü åå èñïîëüçóåòñÿ íåïîñðåäñòâåííî äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ âûõîäíîãî êîëåáàíèÿ. Îñòàâøàÿñÿ ÷àñòü çàïàñàåòñÿ â ýíåðãîåìêîì äðîññåëå è èñïîëüçóåòñÿ äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà RÍ â ìîìåíòû îòêëþ÷åíèÿ óñèëèòåëÿ îò ÅÏ. Óïðîùåííàÿ ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà óñèëèòåëÿ ðåæèìà D ïðèâåäåíà íà ðèñ. 5.22,à. Äëÿ åãî ðàáîòû íåïðåðûâíûé âõîäíîé ñèãíàë (â äàííîì ñëó÷àå ãàðìîíè÷åñêèé, ðèñ. 5.22,á) ïðåîáðàçóþò â èìïóëüñíóþ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü ñ øèðîòíîèìïóëüñíîé ìîäóëÿöèåé (ØÈÌ). Òàêîé ñèãíàë ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòü èìïóëüñîâ îäèíàêîâûõ àìïëèòóäû è ïåðèîäà ïîâòîðåíèÿ (ÒÏ), îòíîñèòåëüíàÿ äëèòåëüíîñòü êîòîðûõ (0 £ tÈ/ÒÏ £ 1) ïðîïîðöèîíàëüíà ìãíîâåííîìó çíà÷åíèþ óñèëèâàåìîãî êîëåáàíèÿ à
á â
ã
Ðèñ. 5.22
146
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
(ðèñ. 5.22,á è â). Ïðè ïîäà÷å ØÈÌ-êîëåáàíèÿ íà âõîä óñèëèòåëÿ òðàíçèñòîð VÒ íà÷èíàåò ðàáîòàòü â ðåæèìå êëþ÷à. Ïðè çàìûêàíèè VT òîê îò èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ ÅÏ òå÷åò ïî öåïè: RÍ, L, VT, ôîðìèðóÿ íà ñîïðîòèâëåíèè íàãðóçêè âûõîäíîå íàïðÿæåíèå uÍ(t). Âî âðåìÿ ïðîòåêàíèÿ òîêà ïî êàòóøêå èíäóêòèâíîñòè L, îíà çàïàñàåò ìàãíèòíóþ ýíåðãèþ. Ïîñëå îêîí÷àíèÿ èìïóëüñà òðàíçèñòîð çàïèðàåòñÿ, ÷òî âûçûâàåò óìåíüøåíèå òîêà ÷åðåç êàòóøêó è âîçíèêíîâåíèå â íåé ÝÄÑ ñàìîèíäóêöèè. Ïîñëåäíÿÿ ñòðåìèòñÿ âîñïðåïÿòñòâîâàòü èçìåíåíèþ âûçâàâøåãî åå òîêà, â äàííîì ñëó÷àå ïîääåðæèâàåò åãî ïðîòåêàíèå, è ýòî ïðèâîäèò ê èçìåíåíèþ çíàêîâ íàïðÿæåíèÿ íà êàòóøêå (íà ðèñ. 5.22,à ïîêàçàíî â ñêîáêàõ). Òîãäà äèîä VD îòêðûâàåòñÿ è ñîçäàåò ïóòü äëÿ ïðîòåêàíèÿ òîêà äðîññåëÿ L. Òåïåðü ýíåðãèÿ, çàïàñåííàÿ â äðîññåëå, ïåðåäàåòñÿ â íàãðóçêó, ïîääåðæèâàÿ ïðîòåêàíèå â íåé òîêà, à çíà÷èò, ôîðìèðîâàíèå âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ ïðîäîëæàåòñÿ (ðèñ. 5.22,ã). Ïðè ïîäà÷å íà áàçó òðàíçèñòîðà ñëåäóþùåãî èìïóëüñà âñå ïðîöåññû ïîâòîðÿþòñÿ. Êàê âèäíî èç îïèñàíèÿ ðàáîòû óñèëèòåëÿ, äèîä VD îáåñïå÷èâàåò çàìûêàíèå òîêà äðîññåëÿ, ïîýòîìó îí íàçûâàåòñÿ çàìûêàþùèì. Èíîãäà ñòðåìÿòñÿ ïîä÷åðêíóòü åãî ôóíêöèþ îáåñïå÷åíèÿ âîçâðàòà â íàãðóçêó íàêîïëåííîé â äðîññåëå ýíåðãèè è íàçûâàþò åãî ðåêóïåðàòèâíûì (îò ëàò. recuperatio âîçâðàùåíèå). Ïîêàçàííûé íà ðèñ. 5.22,à óñèëèòåëü èñïîëüçóåòñÿ äëÿ óñèëåíèÿ îäíîïîëÿðíîãî ñèãíàëà, ëèáî â êà÷åñòâå îäíîãî èç ïëå÷ äâóõòàêòíîãî óñèëèòåëÿ.  ïîñëåäíåì ñëó÷àå ðåæèì ðàáîòû óñèëèòåëÿ íàçûâàåòñÿ ðåæèìîì ÂD ( ñèìâîëèçèðóåò ïîî÷åðåäíîñòü ðàáîòû ïëå÷, D èñïîëüçîâàíèå êëþ÷åâîãî ðåæèìà D). Ïðèìåíåíèå ñîâðåìåííîé ýëåìåíòíîé áàçû ïîçâîëÿåò â óñèëèòåëå ðåæèìà D ïîëó÷àòü ÊÏÄ, áëèçêèé ê ïðåäåëüíîìó. Íàïðèìåð, ïðè ôîðìèðîâàíèè â íàãðóçêå ãàðìîíè÷åñêîãî ñèãíàëà ñ àìïëèòóäîé, ñòðåìÿùåéñÿ ê íàïðÿæåíèþ ïèòàíèÿ, hD äîñòèãàåò 95%. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî áåç èñïîëüçîâàíèÿ âîçâðàòà çàïàñåííîé ýíåðãèè (íî ñ ñîõðàíåíèåì êëþ÷åâîãî ðåæèìà ðàáîòû òðàíçèñòîðà) ÊÏÄ óñèëèòåëÿ îñòàåòñÿ òàêèì æå, êàê â ðåæèìå Â. Áîëåå òîãî, ïðèâåäåííûå ñòîëü âûñîêèå åãî çíà÷åíèÿ äîñòèãàþòñÿ òîëüêî äëÿ êîëåáàíèé ñ áîëüøîé àìïëèòóäîé, è ñ åå ñíèæåíèåì óìåíüøàþòñÿ. Ðåàëüíûå æå ñèãíàëû (ðå÷åâûå, ìóçûêàëüíûå), êàê ïðàâèëî, èìåþò àìïëèòóäû çíà÷èòåëüíî ìåíüøèå ìàêñèìàëüíî âîçìîæíîé è ýòî
147
ÃËÀÂÀ 5. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÓÑÈËÈÒÅËÈ
ðåçêî ñíèæàåò ÊÏÄ óñèëèòåëÿ ðåæèìà D. Êðîìå òîãî, èñïîëüçîâàíèå èìïóëüñíîãî ðåæèìà ðàáîòû òðàíçèñòîðîâ è íåîáõîäèìîñòü ôîðìèðîâàíèÿ ØÈÌ-êîëåáàíèÿ ñîçäàþò ðÿä íåäîñòàòêîâ, ñðåäè êîòîðûõ: âûñîêèé óðîâåíü ðàäèîïîìåõ, âîçíèêàþùèõ ïðè êëþ÷åâîì ðåæèìå ðàáîòû òðàíçèñòîðà, íàëè÷èå â âûõîäíîì êîëåáàíèè ïóëüñàöèé (ðèñ. 5.22,ã), íåîáõîäèìîñòü ïðèìåíåíèÿ ýíåðãîåìêîãî äðîññåëÿ è äð. Âñå ýòî çàòðóäíÿåò, à èíîãäà è äåëàåò íåâîçìîæíûì ïðèìåíåíèå óñèëèòåëåé ðåæèìà D, îñîáåííî â âûñîêîêà÷åñòâåííîé çâóêîâîñïðîèçâîäÿùåé è ðàäèîïðèåìíîé àïïàðàòóðå. Ïîëó÷èòü ïîâûøåííûå çíà÷åíèÿ ÊÏÄ áåç íåäîñòàòêîâ ðåæèìà D ìîæíî â àíàëîãî-äèñêðåòíûõ óñèëèòåëÿõ. Òàêèå óñèëèòåëè ìîãóò áûòü ïîñòðîåíû ðàçëè÷íûìè ñïîñîáàìè, ïðîñòåéøèé èç êîòîðûõ ïðèâåäåí íà ðèñ. 5.23,à. Çäåñü ïîêàçàíî îäíî èç ïëå÷ äâóõòàêòíîãî êàñêàäà, ôîðìèðóþùåå â íàãðóçêå (êàê è íà ðèñ. 5.22,à) ïîëîæèòåëüíóþ ïîëóâîëíó ñèãíàëà (ðèñ. 5.23,á). ×àñòü ýòîãî êîëåáàíèÿ, çàêëþ÷åííóþ â èíòåðâàëàõ âðåìåíè 0
t1 è t2
Ò/2, óñèëèâàåò óñèëèòåëü, â ñîñòàâ êîòîðîãî âõîäÿò òðàíçèñòîð VT1 è èñòî÷íèê ïèòàíèÿ Å1. Îñòàâøóþñÿ ÷àñòü êîëåáàíèÿ (t1
t2) óñèëèòåëü, âêëþ÷àþùèé òðàíçèñòîð VT2 è èñòî÷íèê Å. Êàæäûé à
â
á
ã
ä
Ðèñ. 5.23
å
148
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
èç ýòèõ óñèëèòåëåé èíîãäà íàçûâàþò êàíàëîì óñèëåíèÿ. Ðàññìîòðèì ðàáîòó óñèëèòåëÿ, ïîêàçàííîãî íà ðèñ. 5.23,à. Ïðè ìàëûõ ìãíîâåííûõ çíà÷åíèÿõ óñèëèâàåìîãî íàïðÿæåíèÿ ðàáîòàåò òðàíçèñòîð VT1. Âûäåëÿþùàÿñÿ â íåì ìîùíîñòü ïîòåðü, ñíèæàþùàÿ ÊÏÄ óñèëèòåëÿ, áóäåò ïðîïîðöèîíàëüíà çàøòðèõîâàííîé ïëîùàäè ìåæäó Å1 è uÍ(t) ðèñ. 5.23,á. Ïðè äîñòèæåíèè uÍ(t) çíà÷åíèé, áëèçêèõ ê Å1, îòêðûâàåòñÿ òðàíçèñòîð VT2, è íàïðÿæåíèå íà íàãðóçêå íà÷èíàåò ôîðìèðîâàòüñÿ èì îò èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ Å. Òîãäà ðàçíîñòü íàïðÿæåíèé uÍ(t) è Å1 çàïèðàåò äèîä VD, è èñòî÷íèê Å1 îòêëþ÷àåòñÿ. Òåïåðü ìîùíîñòü ïîòåðü îïðåäåëÿåòñÿ ñëåäóþùåé çàøòðèõîâàííîé ïëîùàäüþ. Åñëè ÷èñëî êàíàëîâ óñèëåíèÿ óâåëè÷èòü, òî ìîùíîñòè ïîòåðü, ïîêàçàííûå ñîîòâåòñòâóþùèìè ïëîùàäÿìè, óìåíüøàþòñÿ (ðèñ. 5.23,ã) è ñòàíîâÿòñÿ çíà÷èòåëüíî ìåíüøå, ÷åì â óñèëèòåëå ðåæèìà  (ðèñ. 5.23,â), à, ñëåäîâàòåëüíî, ÊÏÄ óñèëèòåëÿ ïîâûøàåòñÿ. Ýòî îñîáåííî ñóùåñòâåííî ïðè àìïëèòóäàõ êîëåáàíèé (Um), çíà÷èòåëüíî ìåíüøèõ ìàêñèìàëüíî âîçìîæíîé (ðèñ. 5.23,ä è å äëÿ óñèëèòåëåé ðåæèìà  è àíàëîãî-äèñêðåòíûõ ñîîòâåòñòâåííî), ÷òî, êàê óæå óêàçûâàëîñü, õàðàêòåðíî äëÿ ðåàëüíûõ âåùàòåëüíûõ ñèãíàëîâ. Òàêèì îáðàçîì, â àíàëîãî-äèñêðåòíûõ óñèëèòåëÿõ äîñòèãàåòñÿ çíà÷èòåëüíîå ñíèæåíèå ìîùíîñòè ïîòåðü â èõ àêòèâíûõ ýëåìåíòàõ, à çíà÷èò, ïîâûøåíèå ÊÏÄ óñèëèòåëÿ áåç èñïîëüçîâàíèÿ êëþ÷åâîãî ðåæèìà ðàáîòû òðàíçèñòîðîâ. ×èñëî êàíàëîâ óñèëåíèÿ â àíàëîãî-äèñêðåòíûõ óñèëèòåëÿõ ìîæåò áûòü ëþáûì. Îäíàêî îïòèìàëüíûì ñ÷èòàåòñÿ äâóõêàíàëüíûé óñèëèòåëü, íàçûâàåìûé åùå óñèëèòåëåì ðåæèìà ÂÑ, â êîòîðîì ïðè ìèíèìàëüíîì ÷èñëå äîáàâëÿåìûõ ýëåìåíòîâ âûèãðûø â ÊÏÄ ïðè óñèëåíèè âåùàòåëüíûõ (ðå÷åâûõ è ìóçûêàëüíûõ) ñèãíàëîâ äîñòèãàåò è ïðåâûøàåò äâîéíîé. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Íàðèñóéòå óïðîùåííóþ ïðèíöèïèàëüíóþ ñõåìó îäíîãî ïëå÷à äâóõòàêòíîãî óñèëèòåëÿ ðåæèìà BD è ðàññêàæèòå ïðèíöèï åãî ðàáîòû. 2. ×òî òàêîå øèðîòíî-èìïóëüñíàÿ ìîäóëÿöèÿ? 3. Äëÿ ÷åãî â óñèëèòåëå ðåæèìà D íóæåí çàìûêàþùèé äèîä? 4. ×åì àíàëîãî-äèñêðåòíûå óñèëèòåëè îòëè÷àþòñÿ îò óñèëèòåëåé ðåæèìà D? 5. Íà ÷åì îñíîâàí ïðèíöèï ñíèæåíèÿ ìîùíîñòè ïîòåðü â àêòèâíûõ ýëåìåíòàõ àíàëîãî-äèñêðåòíûõ óñèëèòåëåé?
149
ÃËÀÂÀ 5. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÓÑÈËÈÒÅËÈ
5.6.5. ÓÑÈËÈÒÅËÈ ÐÀÄÈÎ×ÀÑÒÎÒÛ (ÓÐ×)
Êàê óæå óêàçûâàëîñü, òàêèå óñòðîéñòâà èñïîëüçóþòñÿ äëÿ óñèëåíèÿ êîëåáàíèé, ÷àñòîòà êîòîðûõ âî ìíîãî ðàç ïðåâûøàåò äèàïàçîí çâóêîâûõ ÷àñòîò.  ýòîì ñëó÷àå òðåáóåòñÿ, êàê ïðàâèëî, îáåñïå÷åíèå óñèëåíèÿ â íåáîëüøîé ïîëîñå ÷àñòîò, ïîýòîìó â óñèëèòåëü ââîäÿò êîëåáàòåëüíûé êîíòóð, âûäåëÿþùèé åå è îáåñïå÷èâàþùèé óñèëåíèå â ýòîé ïîëîñå. Ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà óñèëèòåëÿ ðàäèî÷àñòîòû ïðèâåäåíà íà ðèñ. 5.24,à. à
á
â
Ðèñ. 5.24
Èç ñðàâíåíèÿ åå ñ ðåçèñòîðíûì êàñêàäîì (ðèñ. 5.6) âèäíî, ÷òî îíè ðàçëè÷àþòñÿ òîëüêî çàìåíîé ðåçèñòîðà RÊ êîëåáàòåëüíûì êîíòóðîì, ïîýòîìó ïðàâèëà ïîñòðîåíèÿ ýêâèâàëåíòíîé ñõåìû êàñêàäà (ðèñ. 5.24,á) òå æå ñàìûå. Èç ýêâèâàëåíòíîé ñõåìû âèäíî, ÷òî ÷àñòîòíàÿ õàðàêòåðèñòèêà êàñêàäà áóäåò èìåòü âèä ðåçîíàíñíîé êðèâîé (ðèñ. 5.24,â), ó êîòîðîé ðåçîíàíñíàÿ ÷àñòîòà îïðåäåëÿåòñÿ âåëè÷èíàìè LÊ è ÑÊ ÝÊ = ÑÊ + + Ñ22 + ÑÍ, à ïîëîñà ïðîïóñêàíèÿ çàâèñèò îò Ri è RÍ. Âûõîäíîå è âõîäíîå (â ñëó÷àå ìíîãîêàñêàäíîãî óñèëèòåëÿ) ñîïðîòèâëåíèÿ òðàíçèñòîðîâ ñèëüíî óìåíüøàþò äîáðîòíîñòü êîíòóðà è ðàñøèðÿþò ïîëîñó ïðîïóñêàíèÿ. Äëÿ îñëàáëåíèÿ ýòîãî âëèÿíèÿ èñïîëüçóåòñÿ ÷àñòè÷íîå ïîäêëþ÷åíèå êîíòóðà ê òðàíçèñòîðó è òðàíñôîðìàòîðíàÿ ñâÿçü åãî ñî âõîäîì ñëåäóþùåãî êàñêàäà (ðèñ. 5.25,à).  ýòîì ñëó÷àå âëèÿíèå âíîñèìûõ â êîíòóð ñîïðîòèâëåíèé îñëàáëÿåòñÿ. Îíè ìîãóò áûòü ðàññ÷èòàíû ïî ôîðìóëå (5.9), â êîòîðîé äëÿ ÷àñòè÷íîãî ïîäêëþ÷åíèÿ êîíòóðà ê êîëëåêòîðó
150
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
à
á
â
Ðèñ. 5.25
òðàíçèñòîðà n1 = w12/w1 êîýôôèöèåíò àâòîòðàíñôîðìàòîðíîãî ïîäêëþ÷åíèÿ òðàíçèñòîðà, ðàâíûé îòíîøåíèþ ÷èñåë âèòêîâ ÷àñòè ïåðâè÷íîé îáìîòêè ìåæäó êîëëåêòîðîì òðàíçèñòîðà è èñòî÷íèêîì ïèòàíèÿ (w12), ê âèòêàì âñåé îáìîòêè LÊ (w1); à äëÿ òðàíñôîðìàòîðíîãî ïîäêëþ÷åíèÿ íàãðóçêè n2 = w2/w1 êîýôôèöèåíò òðàíñôîðìàöèè, ðàâíûé îòíîøåíèþ ÷èñåë âèòêîâ îáìîòîê LÑ (w2) è LÊ (w1); ÊÏÄ òàêîãî òðàíñôîðìàòîðà îáû÷íî áåðóò hÒÐ = 1. Ïîëó÷àåìàÿ ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà ðåçîíàíñíîãî êàñêàäà ïðèâåäåíà íà ðèñ. 5.25,á, ãäå ó÷òåíî, ÷òî ÷àñòè÷íîå ïîäêëþ÷åíèå òðàíçèñòîðà îäíîâðåìåííî èçìåíÿåò è òîê ýêâèâàëåíòíîãî ãåíåðàòîðà, êîòîðûé èñõîäÿ èç ïðèíöèïà ïðåîáðàçîâàíèÿ ìîùíîñòåé, ïîäâåäåííîé ê êîíòóðó è äåéñòâóþùåé â êîíòóðå, äîëæåí áûòü èçìåíåí â n1 ðàç. Î÷åíü ÷àñòî îáðàçóþùèéñÿ â óñèëèòåëå (ðèñ. 5.25,à) âòîðîé êîëåáàòåëüíûé êîíòóð òîæå íàñòðàèâàþò â ðåçîíàíñ íà òîé æå ÷àñòîòå. Âîçíèêàþùåå âçàèìíîå âëèÿíèå êîíòóðîâ äðóã íà äðóãà è ñâÿçàííîå ñ ýòèì âíåñåíèå â êàæäûé èç íèõ äîïîëíèòåëüíûõ ðåàêòèâíîñòåé ïðèâîäèò ê òîìó, ÷òî ïðè îïòèìàëüíûõ óñëîâèÿõ ÷àñòîòíàÿ õàðàêòåðèñòèêà ñèñòåìû òàêèõ ñâÿçàííûõ êîíòóðîâ ñòàíîâèòñÿ äâóãîðáîé, èìåþùåé ïîñåðåäèíå âïàäèíó, ïî îáîèì êðàÿì ïîäúåìû, à çàòåì áîëåå êðóòûå, ïî ñðàâíåíèþ ñ îäèíî÷íûì êîíòóðîì, ñïàäû ÷àñòîòíîé õàðàêòåðèñòèêè (ðèñ. 5.25,â).  ýòîì ñëó÷àå ÷àñòîòíàÿ ôèëüòðàöèÿ òàêîé èçáèðàòåëüíîé ñèñòåìû óëó÷øàåòñÿ, ÷òî øèðîêî èñïîëüçóåòñÿ â ðàäèî÷àñòîòíûõ òðàêòàõ. Öåëåñîîáðàçíîñòü èñïîëüçîâàíèÿ â ðàäèî÷àñòîòíûõ óñèëèòåëÿõ êîëåáàòåëüíîãî êîíòóðà âíîñèò îñîáåííîñòè è â ðåæèì ðàáîòû óñèëèòåëåé ìîùíîñòè, ïðåäíàçíà÷åííûõ äëÿ ýòî-
ÃËÀÂÀ 5. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÓÑÈËÈÒÅËÈ
151
ãî äèàïàçîíà.  íèõ èñïîëüçóþòñÿ íå òîëüêî ðàññìîòðåííûå ðàíåå ðåæèìû À è Â, íî è ðåæèì Ñ. Ðåæèìîì Ñ íàçûâàþò ðåæèì, ïðè êîòîðîì òîê ÷åðåç òðàíçèñòîð ïðîòåêàåò â òå÷åíèå âðåìåíè, ìåíüøåì ïîëîâèíû ïåðèîäà óñèëèâàåìîãî êîëåáàíèÿ. Âîçìîæíîñòü åãî ïðèìåíåíèÿ îáóñëîâëåíà ñïîñîáíîñòüþ êîíòóðà âûäåëÿòü è âîññòàíàâëèâàòü êîëåáàíèÿ ñ ÷àñòîòàìè, áëèçêèìè ê ðåçîíàíñíîé. Ðàçëîæåíèå ïîëó÷àþùåãîñÿ â ýòîì ñëó÷àå îòðåçêà ãàðìîíè÷åñêîãî êîëåáàíèÿ â ðÿä Ôóðüå ïîêàçûâàåò, ÷òî ñ óìåíüøåíèåì äëèòåëüíîñòè ïðîòåêàþùåãî ÷åðåç òðàíçèñòîð òîêà óâåëè÷èâàåòñÿ ñîîòíîøåíèå ìåæäó àìïëèòóäîé ïåðâîé ãàðìîíèêè è ïîñòîÿííîé ñîñòàâëÿþùåé êîëåáàíèÿ. Ó÷èòûâàÿ, ÷òî àìïëèòóäà ïåðâîé ãàðìîíèêè õàðàêòåðèçóåò ôîðìèðóåìîå â íàãðóçêå ïîëåçíîå êîëåáàíèå, à ïîñòîÿííàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ ïîòðåáëÿåìóþ îò èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ ìîùíîñòü, ìîæíî ñäåëàòü âûâîä, ÷òî ñ óìåíüøåíèåì äëèòåëüíîñòè èìïóëüñà ïîâûøàåòñÿ ÊÏÄ óñèëèòåëÿ ìîùíîñòè. Êðîìå òîãî, ïðè ýòîì èçìåíÿþòñÿ ñîîòíîøåíèÿ àìïëèòóä åãî ãàðìîíè÷åñêèõ ñîñòàâëÿþùèõ, ÷òî èñïîëüçóåòñÿ ïðè ðåçîíàíñíîì óìíîæåíèè ÷àñòîòû êîëåáàíèé. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Íàðèñóéòå ïðèíöèïèàëüíóþ ñõåìó ðåçîíàíñíîãî óñèëèòåëüíîãî êàñêàäà. 2. Íàðèñóéòå è îáîñíóéòå ýêâèâàëåíòíóþ ñõåìó ðåçîíàíñíîãî óñèëèòåëüíîãî êàñêàäà. 3.  êàêèõ ñëó÷àÿõ àìïëèòóäíî-÷àñòîòíàÿ õàðàêòåðèñòèêà êàñêàäà ïðèîáðåòàåò âèä äâóãîðáîé êðèâîé? 4. ×òî òàêîå ðåæèì Ñ?
ÃËÀÂÀ ØÅÑÒÀß
ÎÁÐÀÒÍÀß ÑÂßÇÜ Â ÓÑÈËÈÒÅËßÕ
6.1. ÂÈÄÛ ÎÁÐÀÒÍÛÕ ÑÂßÇÅÉ
Îáðàòíîé ñâÿçüþ (ÎÑ) íàçûâàþò ñîåäèíåíèå êàêîé-ëèáî öåïüþ (öåïüþ îáðàòíîé ñâÿçè áëîê bÑ íà ðèñ. 6.1) âûõîäà óñèëèòåëÿ ñ åãî âõîäîì.  òàêîì óñèëèòåëå, îõâà÷åííîì îáðàòíîé ñâÿçüþ, âõîäíûìè è âûõîäíûìè íàïðÿæåíèÿìè ñëóæàò ñîîòâåòñòâåííî: äëÿ áëîêà K ýòî UÂÕ è UÂÛÕ; äëÿ áëîêà bÑ UÂÕ ÎÑ è UÂÛÕ ÎÑ, äëÿ óñèëèòåëÿ, îõâà÷åííîãî îáðàòíîé ñâÿçüþ UÂÕ b è UÂÛÕ.  äàëüíåéøåì, äëÿ èñêëþ÷åíèÿ âîçìîæíîé íåîäíîçíà÷íîñòè ïðè ðàññìîòðåíèè ìàòåðèàëà, îòíîñÿùåãîñÿ ê îáðàòíîé ñâÿçè, óñèëèòåëü, íå îõâà÷åííûé îáðàòíîé ñâÿçüþ, áóäåì íàçûâàòü áëîêîì K. Åãî êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ ïî íàïðÿæåíèþ â êîìïëåêñíîé ôîðìå 1 2 3 123 3 13 2 14 211 5 ãäå K ìîäóëü êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ, à jÊ ñäâèã ôàçû ìåæäó âûõîäíûì è âõîäíûì íàïðÿæåíèÿìè, äåéñòâóþùèìè â áëîêå K. Äëÿ öåïè îáðàòíîé ñâÿçè êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è 12 3 11 3 121 4 ãäå bÑ ìîäóëü êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è öåïè, à jb ñäâèã ôàç, âîçíèêàþùèé ìåæäó UÂÛÕ ÎÑ è UÂÕ ÎÑ. Íàïðÿæåíèå, âûäåëÿþùååñÿ íà âûõîäå öåïè îáðàòíîé ñâÿçè UÂÛÕ ÎÑ, ñóììèðóåòñÿ ñ íàïðÿæåíèåì, äåéñòâóþùèì íà âõîäå óñèëèòåëÿ, îõâà÷åííîãî îáðàòíîé ñâÿçüþ UÂÕ b (ðèñ. 6.1), è ðåçóëüòèðóþùåå êîëåáàíèå (UÂÕ) ïîäàåòñÿ íà âõîä áëîêà K. Ðàçëè÷àþò ñâÿçü ïîñëåäîâàòåëüíóþ è ïàðàëëåëüíóþ, ïî òîêó è ïî íàïðÿæåíèþ, ïîëîæèòåëüíóþ è îòðèöàòåëüíóþ, ïîýòîìó ïðè êëàññèôèêàöèè êîíêðåòíîãî âèäà ñâÿÐèñ. 6.1
153
ÃËÀÂÀ 6. ÎÁÐÀÒÍÀß ÑÂßÇÜ Â ÓÑÈËÈÒÅËßÕ
çè óêàçûâàþò êàæäûé èç ýòèõ ïðèçíàêîâ: íàïðèìåð, ïîñëåäîâàòåëüíàÿ îòðèöàòåëüíàÿ îáðàòíàÿ ñâÿçü ïî òîêó. Ïåðâûå èç ïðèçíàêîâ îïðåäåëÿþòñÿ ñïîñîáîì ñîåäèíåíèÿ âõîäà óñèëèòåëÿ, íå îõâà÷åííîãî îáðàòíîé ñâÿçüþ, (áëîêà K) è âûõîäà öåïè îáðàòíîé ñâÿçè. Åñëè âõîä áëîêà K ñîåäèíåí ñ âûõîäîì öåïè îáðàòíîé ñâÿçè ïîñëåäîâàòåëüíî (ðèñ. 6.2,à), òî òàêóþ ñâÿçü íàçûâàþò ïîñëåäîâàòåëüíîé, åñëè ïàðàëëåëüíî (ðèñ. 6.2,á), òî ïàðàëëåëüíîé. Ñâÿçè ïî òîêó è ïî íàïðÿæåíèþ ðàçëè÷àþòñÿ â çàâèñèìîñòè îò ñïîñîáà ñîåäèíåíèÿ âûõîäà óñèëèòåëÿ ñî âõîäîì öåïè îáðàòíîé ñâÿçè. Åñëè ñèãíàë îáðàòíîé ñâÿçè âîçíèêàåò ïîä äåéñòâèåì âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ óñèëèòåëÿ (ðèñ. 6.2,â), òî ýòî ñâÿçü ïî íàïðÿæåíèþ, à åñëè ïîä äåéñòâèåì âûõîäíîãî òîêà (ðèñ. 6.2,ã) ñâÿçü ïî òîêó.  ïîñëåäíåì ñëó÷àå äëÿ ïîëó÷åíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà âõîäå öåïè îáðàòíîé ñâÿçè UÂÕ ÎÑ ïîñëåäîâàòåëüíî ñ íàãðóçêîé RÍ âêëþ÷àþò äîáàâî÷íûé ðåçèñòîð rÎÑ, ïðîõîäÿ ÷åðåç êîòîðûé, âûõîäíîé òîê ñîçäàåò íà íåì ýòî íàïðÿæåíèå. ×àñòî ïî ñõåìå áûâàåò ñëîæíî ñðàçó îïðåäåëèòü âèä ñâÿçè, ïîýòîìó äëÿ åå êëàññèôèêàöèè èñïîëüçóþò ñëåäóþùåå ïðàâèëî: åñëè ïðè çàêîðà÷èâàíèè ñîïðîòèâëåíèÿ íàãðóçêè RÍ (òî åñòü êîãäà UÂÛÕ = 0, à IÂÛÕ ¹ 0) ñâÿçü ïðîïàäàåò, òî ýòî ñâÿçü ïî íàïðÿæåíèþ, åñëè îñòàåòñÿ ñâÿçü ïî òîêó. Èëè, åñëè ïðè ðàçðûâå öåïè íàãðóçêè ñâÿçü îñòàåòñÿ, òî ýòî ñâÿçü ïî íàïðÿæåíèþ, åñëè ïðîïàäàåò òî ñâÿçü ïî òîêó.  çàâèñèìîñòè îò ôàçû ñèãíàëà, âîçâðàùàþùåãîñÿ íà âõîä óñèëèòåëÿ, ñâÿçü ìîæåò áûòü ïîëîæèòåëüíîé (åñëè ìîäóëü ðåçóëüòèðóþùåãî âõîäíîãî ñèãíàëà UÂÕ = |UÂÕ| = |UÂÕ b + + UÂÛÕ ÎÑ| óâåëè÷èâàåòñÿ) è îòðèöàòåëüíîé (åñëè UÂÕ óìåíüøàåòñÿ). È â òîì, è â äðóãîì ñëó÷àå ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî âõîäíîå íàïðÿæåíèå óñèëèòåëÿ, îõâà÷åííîãî îáðàòíîé ñâÿçüþ UÂÕ b, îñòàåòñÿ îäíèì è òåì æå.  òî æå âðåìÿ óìåíüøåíèå UÂÕ íà à
á
â
Ðèñ. 6.2
ã
154
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
âõîäå áëîêà K ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ íàïðÿæåíèÿ íà âûõîäå óñèëèòåëÿ UÂÛÕ = K UÂÕ, à óâåëè÷åíèå UÂÕ ê óâåëè÷åíèþ UÂÛÕ. Ñëåäîâàòåëüíî, ìîäóëü êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è óñèëèòåëÿ, îõâà÷åííîãî îáðàòíîé ñâÿçüþ, Kb = UÂÛÕ/UÂÕ b äëÿ ïîëîæèòåëüíîé ñâÿçè óâåëè÷èâàåòñÿ, à äëÿ îòðèöàòåëüíîé óìåíüøàåòñÿ. Îáðàòíàÿ ñâÿçü â óñèëèòåëÿõ ìîæåò ââîäèòüñÿ íàìåðåííî ñ ïîìîùüþ ðåçèñòîðîâ, êîíäåíñàòîðîâ è äðóãèõ ýëåìåíòîâ; ëèáî âîçíèêàòü ñàìîïðîèçâîëüíî (íàïðèìåð, èç-çà íåíóëåâîãî ñîïðîòèâëåíèÿ èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ, ïàðàçèòíîãî èçëó÷åíèÿ, íàâîäÿùåãî íà âõîäå óñèëèòåëÿ íåêîòîðóþ ÝÄÑ è ò. ä.), ïîñëåäíÿÿ íàçûâàåòñÿ ïàðàçèòíîé îáðàòíîé ñâÿçüþ. Åñëè êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è öåïè îáðàòíîé ñâÿçè bÑ çàâèñèò îò ÷àñòîòû, òî ñâÿçü íàçûâàåòñÿ ÷àñòîòíî-çàâèñèìîé. Åñëè îáðàòíîé ñâÿçüþ îõâàòûâàþò òîëüêî îäèí óñèëèòåëüíûé êàñêàä, òî ýòî ìåñòíàÿ ÎÑ, à åñëè íåñêîëüêî òî îáùàÿ. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. 2. 3. 4. 5.
×òî íàçûâàåòñÿ îáðàòíîé ñâÿçüþ? Êàêèå âèäû îáðàòíûõ ñâÿçåé âû çíàåòå? Ïîÿñíèòå ïðàâèëà îïðåäåëåíèÿ âèäîâ îáðàòíîé ñâÿçè. ×òî íàçûâàåòñÿ ïîëîæèòåëüíîé è îòðèöàòåëüíîé ÎÑ? ×òî òàêîå îáùàÿ, ìåñòíàÿ, ÷àñòîòíî-çàâèñèìàÿ è ïàðàçèòíàÿ îáðàòíûå ñâÿçè?
6.2. ÂËÈßÍÈÅ ÎÑ ÍÀ ÎÑÍÎÂÍÛÅ ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊÈ ÓÑÈËÈÒÅËÅÉ Êàê óæå óêàçûâàëîñü, ââåäåíèå ÎÑ èçìåíÿåò îáùèé êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è óñèëèòåëÿ îò K äî Kb. Îöåíèì êîëè÷åñòâåííî åãî âåëè÷èíó, äëÿ îïðåäåëåííîñòè èñïîëüçóÿ ñòðóêòóðíóþ ñõåìó óñèëèòåëÿ, ïðèâåäåííóþ íà ðèñ. 6.3. Ïðè ýòîì äëÿ óïðîùåíèÿ ñ÷èòàåì, ÷òî áëîêè K è bÑ ïåðåäàþò ñèãíàëû òîëüêî ñî âõîäà áëîêîâ íà èõ âûõîäû, à â îáðàòíóþ ñòîðîíó ïåðåäà÷à ñèãíàëîâ íå ïðîèñõîäèò.  ýòîì ñëó÷àå âûõîäíîå íàïðÿæåíèå óñèëèòåëÿ UÂÛÕ ôîðìèðóåòñÿ òîëüÐèñ. 6.3
155
ÃËÀÂÀ 6. ÎÁÐÀÒÍÀß ÑÂßÇÜ Â ÓÑÈËÈÒÅËßÕ
êî ñèãíàëîì UÂÕ, ïîäàííûì íà âõîä áëîêà K, ïåðåäà÷åé ñèãíàëà UÂÕ ÷åðåç áëîê bÑ áóäåì ïðåíåáðåãàòü. Êðîìå òîãî, ïðèìåì, ÷òî âíóòðåííèå ñîïðîòèâëåíèÿ èñòî÷íèêà âõîäíîãî ñèãíàëà è âûõîäíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ áëîêà bÑ ìíîãî ìåíüøå âõîäíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ áëîêà K, à âûõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå áëîêà K ìíîãî ìåíüøå RÍ è âõîäíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ áëîêà bÑ, òî åñòü ïîäêëþ÷åíèå è îòêëþ÷åíèå áëîêà bÑ íå âëèÿåò íà âåëè÷èíó êîýôôèöèåíòîâ ïåðåäà÷è K è bÑ, ÷òî â ðåàëüíûõ óñëîâèÿõ îáû÷íî âûïîëíÿåòñÿ. Êîìïëåêñíàÿ ôîðìà êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è óñèëèòåëÿ, îõâà÷åííîãî îáðàòíîé ñâÿçüþ: 21 2
1 123 1 13 2 2 2 1 13 1 1 13 3 1 123 45 2
2
1 123 45 1 123 63 1 13 45 1 13
2
2 2 2 2 2 7 6 3 15 2 6 3 3 4
Çäåñü ó÷òåíî, ÷òî UÂÕ = UÂÕ b + UÂÛÕ ÎÑ; UÂÛÕ = UÂÕ ÎÑ âõîä öåïè îáðàòíîé ñâÿçè ïîäêëþ÷åí ê âûõîäó óñèëèòåëÿ íåïîñðåäñòâåííî (ðèñ. 6.3). Âåëè÷èíà Ò = UÂÛÕ ÎÑ/UÂÕ = KbÑ íàçûâàåòñÿ êîýôôèöèåíòîì ïåòëåâîãî óñèëåíèÿ (èëè ïåòëåâûì óñèëåíèåì) è ïîêàçûâàåò, âî ñêîëüêî ðàç èçìåíèòñÿ íàïðÿæåíèå ïðè åãî ïðîõîæäåíèè ïî ðàçîìêíóòîé ïåòëå îáðàòíîé ñâÿçè, òî åñòü ïî ïóòè îò âõîäà áëîêà K äî âûõîäà áëîêà bÑ. Âåëè÷èíà F = 1 Ò íàçûâàåòñÿ âîçâðàòíîé ðàçíîñòüþ. Âîçâðàòíàÿ ðàçíîñòü 3 4 5 5 1 13 4 5 5 16 221 14 7 221 4 5 5 1 14 7 2121 321 28
Ïðè jK + jb = 2pn, ãäå n = 0, 1, 2,
, ìíèìàÿ ÷àñòü êîìïëåêñíîãî ÷èñëà F ðàâíà íóëþ, ÎÑ ñòàíîâèòñÿ âåùåñòâåííîé ïîëîæèòåëüíîé. Äëÿ íåå F = F = 1 KbÑ è ìîäóëü êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ óñèëèòåëÿ, îõâà÷åííîãî îáðàòíîé ñâÿçüþ, Kb = |Kb| âîçðàñòàåò. Ïðè jK + jb = (2n + 1)p ÎÑ ñòàíîâèòñÿ òàê æå âåùåñòâåííîé (ìíèìàÿ ÷àñòü êîìïëåêñíîãî ÷èñëà F òîæå ðàâíà íóëþ), íî äëÿ íåå cos (2n + 1)p = 1 è F = F = 1 + KbÑ. Òàêàÿ ñâÿçü âåùåñòâåííàÿ îòðèöàòåëüíàÿ îáðàòíàÿ ñâÿçü, è ïðè åå ââåäåíèè ìîäóëü êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ óñèëèòåëÿ, îõâà÷åííîãî îáðàòíîé ñâÿçüþ, Kb = |Kb| óìåíüøàåòñÿ. Ìîäóëü F = |1 + KbÑ| íàçûâàåòñÿ ãëóáèíîé ñâÿçè, à çíà÷èò,
156
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ Kb óìåíüøàåòñÿ â F ðàç. Ïðè ïðîìåæóòî÷íûõ çíà÷åíèÿõ jK + jb îáðàòíàÿ ñâÿçü èìååò êîìïëåêñíûé õàðàêòåð, íî ýòî îáû÷íî ñóùåñòâóåò òîëüêî íà ãðàíèöå ïîëîñû ïðîïóñêàíèÿ óñèëèòåëÿ è çäåñü íå ðàññìàòðèâàåòñÿ. Ïîëîæèòåëüíàÿ ñâÿçü èñïîëüçóåòñÿ, êàê ïðàâèëî, â àâòîãåíåðàòîðàõ, îòðèöàòåëüíàÿ äëÿ óëó÷øåíèÿ êà÷åñòâåííûõ ïîêàçàòåëåé óñèëèòåëåé. Ðàññìîòðèì åå âëèÿíèå íà îñíîâíûå òåõíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè óñèëèòåëÿ. Ââåäåíèå îòðèöàòåëüíîé îáðàòíîé ñâÿçè ñòàáèëèçèðóþùå äåéñòâóåò íà êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ óñèëèòåëÿ. Äëÿ îöåíêè èçìåíåíèÿ ïàðàìåòðîâ ïðèíÿòî èñïîëüçîâàòü ïîíÿòèå ÷óâñòâèòåëüíîñòè, ïîêàçûâàþùåé, âî ñêîëüêî ðàç îòíîñèòåëüíàÿ íåñòàáèëüíîñòü èíòåðåñóþùåãî ïàðàìåòðà îòëè÷àåòñÿ îò íåñòàáèëüíîñòè âûçâàâøåé åå ïðè÷èíû.  ðàññìàòðèâàåìîì ñëó÷àå èíòåðåñóþùèì ïàðàìåòðîì ÿâëÿåòñÿ îòíîñèòåëüíîå èçìåíåíèå êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ óñèëèòåëÿ, îõâà÷åííîãî îáðàòíîé ñâÿçüþ, äKb/Kb, à ïðè÷èíîé íåñòàáèëüíîñòè îòíîñèòåëüíîå èçìåíåíèå êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ áëîêà K (îíî îïðåäåëÿåòñÿ êàê äK/K). Òîãäà ÷óâñòâèòåëüíîñòü 1
31 1 2
211 11
21 2 211 1 1 1 21 11
Åñëè îãðàíè÷èòüñÿ îáëàñòüþ ñðåäíèõ ÷àñòîò, ãäå îáðàòíàÿ ñâÿçü âåùåñòâåííàÿ îòðèöàòåëüíàÿ, è ïðèíÿòü, ÷òî Kb = K/(1 + KbÑ), òî äKb/äK = 1/(1 + KbÑ)2 è 2111 2 1 3 2 Òàêèì îáðàçîì, ÷åì áîëüøå ãëóáèíà îòðèöàòåëüíîé ÎÑ, òåì ìåíüøå ìîäóëü êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ áëîêà K âëèÿåò íà îáùèé êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ óñèëèòåëÿ Kb. Èçìåíåíèå êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ áëîêà K ìîæåò áûòü îáóñëîâëåíî ìíîãèìè ïðè÷èíàìè, íàïðèìåð, îíî âîçíèêàåò ïðè èçìåíåíèè ÷àñòîòû (âèä òèïè÷íîé À×Õ óñèëèòåëÿ áåç ÎÑ ïðèâåäåí íà ðèñ. 6.4 ãðàôèê 1). Èç ïðèâåäåííûõ âûøå ôîðìóë äëÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòè ìîæíî çàïèñàòü 121 12 1 2 21 2 3 èëè DKb/K0b = (DK/K0)/F, òî åñòü (K0b Kb)/K0b = (K0 K)/K0F, ãäå K0b è K0 ìîäóëè êîýôôèöèåíòîâ ïåðåäà÷è óñèëèòåëÿ ñ îòðèöàòåëüíîé îáðàòíîé ñâÿçüþ è áåç íåå íà ñðåäíèõ ÷àñòîòàõ. Òîãäà íîðìèðîâàííûé êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ óñèëèòåëÿ
ÃËÀÂÀ 6. ÎÁÐÀÒÍÀß ÑÂßÇÜ Â ÓÑÈËÈÒÅËßÕ
à
157
á
Ðèñ. 6.4
ìîæåò áûòü âû÷èñëåí ïî ôîðìóëå yb(w) = Kb(w)/K0b = 1 [1 y(w)]/F, ãäå ó(w) = K(w)/K0 íîðìèðîâàííûé êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ áëîêà K (òî åñòü óñèëèòåëÿ áåç ÎÑ). Äëÿ íàãëÿäíîñòè ñòàáèëèçèðóþùåå äåéñòâèå îòðèöàòåëüíîé îáðàòíîé ñâÿçè ïîêàæåì íà ÷èñëåííîì ïðèìåðå. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî ìîäóëü êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è ïî íàïðÿæåíèþ áëîêà K íà ñðåäíèõ ÷àñòîòàõ K0 = 10, à îáðàòíîé ñâÿçè bÑ = 1/20. Åñëè íà âõîäå áëîêà K äåéñòâóåò ñèãíàë ñ àìïëèòóäîé UÂÕ = 1 Â, òî íàïðÿæåíèå íà âûõîäå óñèëèòåëÿ UÂÛÕ = KUÂÕ = 10 Â. Èç ñòðóêòóðíîé ñõåìû (ðèñ. 6.3) âèäíî, ÷òî çäåñü ïðèìåíåíà ñâÿçü ïî íàïðÿæåíèþ è êî âõîäó öåïè ÎÑ ïðèëîæåíî âñå âûõîäíîå íàïðÿæåíèå óñèëèòåëÿ, ïîä äåéñòâèåì êîòîðîãî UÂÛÕ ÎÑ = b UÂÕ ÎÑ = 10 Â/20 = 0,5 Â. Ñâÿçü îòðèöàòåëüíàÿ, ïîýòîìó äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ïðèíÿòûõ çíà÷åíèé íàïðÿæåíèé íà âõîä óñèëèòåëÿ (êëåììû 12) äîëæíî áûòü ïîäàíî íàïðÿæåíèå UÂÕ b = 1,5 Â. Äîïóñòèì, ÷òî ïðè èçìåíåíèè ÷àñòîòû íîðìèðîâàííûé êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ áëîêà K èçìåíÿåòñÿ, êàê ïîêàçàíî êðèâîé 1 íà ðèñ. 6.4,à, è ïðè óìåíüøåíèè ÷àñòîòû äî íåêîòîðîãî çíà÷åíèÿ f1 âåëè÷èíà y(f1) = 0,9. Òîãäà ïðè UÂÕ = 1  âûõîäíîå íàïðÿæåíèå äîëæíî áûëî áû ñîñòàâèòü UÂÛÕ = UÂÕ K y(f1) = 9 Â. Ýòî çíà÷åíèå ôîðìèðóåò íà âûõîäå öåïè ÎÑ UÂÛÕ ÎÑ = 9 Â/20 = = 0,45 Â, êîòîðîå ïðè íåèçìåííîñòè âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ UÂÕ b = 1,5  óâåëè÷èò íàïðÿæåíèå íà âõîäå áëîêà K äî çíà÷åíèÿ UÂÕ = UÂÕ b UÂÛÕ ÎÑ = 1,05 Â. Òîãäà âûõîäíîå íàïðÿæåíèå óñèëèòåëÿ âîçðàñòåò äî UÂÛÕ = 9,45  (à íå 9 Â, êàê ïîêàçàíî âûøå). Åñëè óìåíüøèòü ÷àñòîòó äî çíà÷åíèÿ f2, ïðè êîòîðîì y(f2) = 0,8, òî àíàëîãè÷íûå ðàññóæäåíèÿ ïðèâîäÿò ê çíà÷åíèþ âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ, ðàâíîìó 8,8 Â. Ýòî îïÿòü áîëüøå, ÷åì â ñëó÷àå óñèëèòåëÿ áåç ÎÑ. Òàêèì îáðàçîì, îõâàò óñèëèòåëÿ îòðèöàòåëüíîé îáðàòíîé ñâÿçüþ ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ
158
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
èçìåíåíèÿ êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ óñèëèòåëÿ, è â ñëó÷àå À×Õ ê çàìåäëåíèþ åå ñïàäà è ðàñøèðåíèþ ïîëîñû ïðîïóñêàíèÿ óñèëèòåëÿ (êðèâàÿ 2 íà ðèñ. 6.4,à). Êàê ñëåäóåò èç îïèñàíèÿ, ýòî ñâÿçàíî ñ óâåëè÷åíèåì íàïðÿæåíèÿ, äåéñòâóþùåãî íà âõîäå áëîêà K, êîòîðîå ÷àñòè÷íî êîìïåíñèðóåò óìåíüøåíèå êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è áëîêà.  èòîãå ïîëîñà ïðîïóñêàíèÿ óñèëèòåëÿ óâåëè÷èâàåòñÿ îò fÂ1 fÍ1 äî fÂ2 fÍ2. Òàêèì îáðàçîì, ÷àñòè÷íàÿ êîìïåíñàöèÿ óìåíüøåíèÿ êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ K, à çíà÷èò è ó, ïðîèñõîäèò áëàãîäàðÿ óâåëè÷åíèþ âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ UÂÕ = UÂÕ b UÂÛÕ ÎÑ. Àíàëîãè÷íî âëèÿíèå ÎÑ ïðîÿâëÿåòñÿ ïðè óìåíüøåíèè íåëèíåéíûõ èñêàæåíèé â óñèëèòåëÿõ. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî â êà÷åñòâå áëîêà K èñïîëüçóåòñÿ äâóõòàêòíûé óñèëèòåëü ðåæèìà Â, äëÿ êîòîðîãî õàðàêòåðíû íåëèíåéíûå èñêàæåíèÿ òèïà «ñòóïåíüêà» (ñì. ðèñ. 5.16,à). Åñëè ÷àñòü òàêîãî âûõîäíîãî ñèãíàëà ÷åðåç öåïü îáðàòíîé ñâÿçè ïåðåäàòü íà âõîä óñèëèòåëÿ (uÂÛÕ ÎÑ êðèâàÿ 1 íà ðèñ. 6.4,á), òî åãî âû÷èòàíèå (íàïîìíèì, ÷òî ðàññìàòðèâàåòñÿ îòðèöàòåëüíàÿ îáðàòíàÿ ñâÿçü) èç âõîäíîãî êîëåáàíèÿ uÂÕ b (êðèâàÿ 2 íà ðèñ. 6.4,á) ïðèâîäèò ê èçìåíåíèþ ôîðìû íàïðÿæåíèÿ, äåéñòâóþùåãî íà âõîäå áëîêà K (êðèâàÿ 3 íà ðèñ. 6.4,á): ó÷àñòêàì ïåðåäàòî÷íîé õàðàêòåðèñòèêè ñ ìàëûìè çíà÷åíèÿìè K (êîãäà uÂÛÕ ìàëî) ñîîòâåòñòâóþò ïîâûøåííûå çíà÷åíèÿ uÂÕ, à ñ áîëüøèìè çíà÷åíèÿìè K óìåíüøåííûå çíà÷åíèÿ uÂÕ. Òî åñòü ïîÿâëÿþòñÿ ïðåäûñêàæåíèÿ ïî îòíîøåíèþ ê ïîäàâàåìîìó íåèñêàæåííîìó êîëåáàíèþ (ïóíêòèðíûå ó÷àñòêè êðèâîé 3 íà ðèñ. 6.4,á), ïðèâîäÿùèå ê êîìïåíñàöèè óìåíüøåíèÿ êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ è ïðèáëèæåíèþ ôîðìû âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ óñèëèòåëÿ ê ôîðìå âõîäíîãî êîëåáàíèÿ uÂÕ b. Ó÷èòûâàÿ, ÷òî ââåäåíèå îòðèöàòåëüíîé îáðàòíîé ñâÿçè ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ èçìåíåíèÿ êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ (âíå çàâèñèìîñòè îò ïðè÷èí, âûçâàâøèõ ýòî èçìåíåíèå) â F ðàç, ìîæíî ñêàçàòü, ÷òî è êîýôôèöèåíò ãàðìîíèê Kà óñèëèòåëÿ, îáóñëîâëåííûé èìåííî èçìåíåíèåì K, óìåíüøèòñÿ â òî æå ÷èñëî ðàç. Ââåäåíèå îáðàòíîé ñâÿçè èçìåíÿåò òàêæå âõîäíîå è âûõîäíîå ñîïðîòèâëåíèÿ óñèëèòåëÿ. Íàïðèìåð, ïðè ïîäà÷å ïîñëåäîâàòåëüíîé îòðèöàòåëüíîé ÎÑ (ðèñ. 6.5,à) íàïðÿæåíèå UÂÕ, äåéñòâóþùåå íà âõîäå áëîêà K, óìåíüøàåòñÿ, ÷òî ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ âõîäíîãî òîêà ýòîãî áëîêà IÂÕ = UÂÕ/RÂÕ, îïðå-
ÃËÀÂÀ 6. ÎÁÐÀÒÍÀß ÑÂßÇÜ Â ÓÑÈËÈÒÅËßÕ
à
159
á
Ðèñ. 6.5
äåëÿþùåãî âõîäíîé òîê óñèëèòåëÿ, à çíà÷èò, ïîâûøåíèþ âõîäíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ âñåãî óñèëèòåëÿ RÂÕ b = UÂÕ b /IÂÕ. Ïðè ïàðàëëåëüíîé ÎÑ ïîäêëþ÷åíèå áëîêà bÑ (ðèñ. 6.5,á) ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ äîïîëíèòåëüíîãî òîêà, ïðîòåêàþùåãî ÷åðåç ýòîò áëîê, à çíà÷èò, óâåëè÷åíèþ îáùåãî âõîäíîãî òîêà IÂÕ b (IÂÕ b = IÂÕ + Ib), ïîòðåáëÿåìîãî îò èñòî÷íèêà âõîäíîãî ñèãíàëà. Ñëåäîâàòåëüíî, âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå óñèëèòåëÿ RÂÕ b = UÂÕ b/IÂÕ b óìåíüøàåòñÿ. Âûõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå óñèëèòåëÿ çàâèñèò îò òîãî, ñâÿçü ïî òîêó èëè ïî íàïðÿæåíèþ. Ïðè ñâÿçè ïî íàïðÿæåíèþ UÂÛÕ ÎÑ ïðîïîðöèîíàëüíî UÂÛÕ è, ñëåäîâàòåëüíî, ñòàáèëèçèðóþùå äåéñòâóåò íà âûõîäíîå íàïðÿæåíèå óñèëèòåëÿ.  ýòîì ñëó÷àå åãî èçìåíåíèå DUÂÛÕ, íàïðèìåð, ïðè èçìåíåíèè ñîïðîòèâëåíèÿ íàãðóçêè, ñòàíîâèòñÿ ìåíüøå, ÷òî ýêâèâàëåíòíî óìåíüøåíèþ âûõîäíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ óñèëèòåëÿ RÂÛÕ = = DUÂÛÕ/DIÂÛÕ. Ïðè ñâÿçè ïî òîêó íàïðÿæåíèå îáðàòíîé ñâÿçè UÂÛÕ ÎÑ ïðîïîðöèîíàëüíî âûõîäíîìó òîêó óñèëèòåëÿ è ñòàáèëèçèðóþùå äåéñòâóåò èìåííî íà íåãî.  ýòîì ñëó÷àå óìåíüøàåòñÿ DIÂÛÕ, ÷òî ýêâèâàëåíòíî óâåëè÷åíèþ âûõîäíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ óñèëèòåëÿ. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Âûâåäèòå ôîðìóëó ðàñ÷åòà êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è óñèëèòåëÿ, îõâà÷åííîãî îáðàòíîé ñâÿçüþ (ðèñ. 6.3). 2. ×òî íàçûâàåòñÿ ïåòëåâûì óñèëåíèåì? 3. ×òî íàçûâàåòñÿ ãëóáèíîé ÎÑ? 4. Êàê èçìåíÿåòñÿ êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ óñèëèòåëÿ ïðè îõâàòå óñèëèòåëÿ ÎÑ? 5. Ïîÿñíèòå, ïî÷åìó îòðèöàòåëüíàÿ ñâÿçü ðàñøèðÿåò ïîëîñó ïðîïóñêàíèÿ è óìåíüøàåò íåëèíåéíûå èñêàæåíèÿ óñèëèòåëÿ? 6. Êàê ïðè ââåäåíèè îòðèöàòåëüíîé ÎÑ èçìåíÿåòñÿ âõîäíîå è âûõîäíîå ñîïðîòèâëåíèÿ óñèëèòåëÿ?
160
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
6.3. ÑÕÅÌÎÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÈÅ ÂÀÐÈÀÍÒÛ ÂÂÅÄÅÍÈß ÎÁÐÀÒÍÛÕ ÑÂßÇÅÉ. ÏÎÂÒÎÐÈÒÅËÈ ÍÀÏÐßÆÅÍÈß Ðàññìîòðèì íåñêîëüêî ïðèìåðîâ ââåäåíèÿ â óñèëèòåëè îòðèöàòåëüíîé ÎÑ è ïðîêëàññèôèöèðóåì åå. Îäèí èç íèõ ïðèâåäåí íà ðèñ. 6.6,à. Çäåñü íàïðÿæåíèå îáðàòíîé ñâÿçè âûäåëÿåòñÿ íà ðåçèñòîðå RÝ âñëåäñòâèå ïðîòåêàíèÿ òîêà ýìèòòåðà IÝ » IÊ (UÂÛÕ ÎÑ = = RÝIÝ). Îïðåäåëèì âèä îáðàòíîé ñâÿçè. Åñëè çàêîðîòèòü ñîïðîòèâëåíèå íàãðóçêè (â äàííîì ñëó÷àå RÊ), òî âûõîäíîå íàïðÿæåíèå ïðîïàäàåò, à âûõîäíîé òîê îñòàåòñÿ, òàê êàê òîê êîëëåêòîðà IÊ òðàíçèñòîðà VT1 ñëàáî çàâèñèò îò íàïðÿæåíèÿ êîëëåêòîðýìèòòåð. Çíà÷èò, îñòàåòñÿ è íàïðÿæåíèå îáðàòíîé ñâÿçè UÂÛÕ ÎÑ, ñëåäîâàòåëüíî, ýòî ñâÿçü ïî òîêó. Âõîäíîå íàïðÿæåíèå óñèëèòåëÿ UÂÕ b äåéñòâóåò ìåæäó áàçîé VT1 è îáùèì ïðîâîäîì, ê êîòîðîìó ïîäêëþ÷åí îòðèöàòåëüíûé âûâîä ÅÏ (òî åñòü ìåæäó âûâîäàìè ðåçèñòîðà R2). Âõîäîì áëîêà K ÿâëÿþòñÿ âûâîäû áàçû è ýìèòòåðà òðàíçèñòîðà VT1, à íàïðÿæåíèå îáðàòíîé ñâÿçè âêëþ÷åíî ïîñëåäîâàòåëüíî ñ íèì, ñëåäîâàòåëüíî, ñâÿçü ïîñëåäîâàòåëüíàÿ. Ôàçà íàïðÿæåíèÿ îáðàòíîé ñâÿçè UÂÛÕ ÎÑ òàêîâà (åãî ìãíîâåííàÿ ïîëÿðíîñòü ïîêàçàíà íà ðèñ. 6.6,à), ÷òî îíî âû÷èòàåòñÿ èç âõîäíîãî UÂÕ b, à çíà÷èò, ñâÿçü îòðèöàòåëüíàÿ. Òàêèì îáðàçîì, óñèëèòåëü (ðèñ. 6.6,à) îõâà÷åí ïîñëåäîâàòåëüíîé îòðèöàòåëüíîé îáðàòíîé ñâÿçüþ ïî òîêó. Äðóãîé ïðèìåð ââåäåíèÿ îòðèöàòåëüíîé ñâÿçè ïðèâåäåí íà ðèñ. 6.6,á. Çäåñü íàïðÿæåíèå ñ âûõîäà óñèëèòåëÿ íà åãî âõîä ïåðåäàåòñÿ ñ ïîìîùüþ êîíäåíñàòîðà ÑÑÂ. Ñîïðîòèâëåíèå êîíà
á
Ðèñ. 6.6
ÃËÀÂÀ 6. ÎÁÐÀÒÍÀß ÑÂßÇÜ Â ÓÑÈËÈÒÅËßÕ
161
äåíñàòîðà çàâèñèò îò ÷àñòîòû ïåðåäàâàåìîãî ñèãíàëà, ïîýòîìó òàêàÿ ÎÑ ÿâëÿåòñÿ ÷àñòîòíî-çàâèñèìîé. Äëÿ îïðåäåëåíèÿ åå âèäà òîæå çàêîðîòèì ñîïðîòèâëåíèå íàãðóçêè RÊ: âûõîäíîå íàïðÿæåíèå óñèëèòåëÿ ïðîïàäåò, íî îäíîâðåìåííî ïðîïàäåò ïåðåìåííàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ íàïðÿæåíèÿ îáðàòíîé ñâÿçè, äåéñòâóþùåãî ìåæäó êîëëåêòîðîì VT1 è îáùèì ïðîâîäîì óñèëèòåëÿ. Ñëåäîâàòåëüíî, çäåñü äåéñòâóåò ñâÿçü ïî íàïðÿæåíèþ. Âûõîäíîå íàïðÿæåíèå îáðàòíîé ñâÿçè UÂÛÕ ÎÑ ïðèëîæåíî ìåæäó áàçîé VT1 è îáùèì ïðîâîäîì (çåìëåé), òî åñòü íà ðåçèñòîðå R2, à çíà÷èò, âêëþ÷åíî ïàðàëëåëüíî âõîäíîìó íàïðÿæåíèþ áëîêà K (çäåñü êîíäåíñàòîð ÑÁË çàêîðà÷èâàåò ïî ïåðåìåííîé ñîñòàâëÿþùåé ðåçèñòîð RÝ, ñîåäèíÿÿ ýìèòòåð VT1 ñ îáùèì ïðîâîäîì). Ñëåäîâàòåëüíî, ñâÿçü ïàðàëëåëüíàÿ. Êàê ïîêàçàíî â ðàçäåëå 5.1, íàïðÿæåíèå êîëëåêòîðýìèòòåð VT1 ñäâèíóòî ïî ôàçå ïî îòíîøåíèþ ê íàïðÿæåíèþ áàçàýìèòòåð òðàíçèñòîðà íà 180°, òî åñòü ñâÿçü îòðèöàòåëüíàÿ. Òàêèì îáðàçîì, óñèëèòåëü, ïðèâåäåííûé íà ðèñ. 6.6,á, îõâà÷åí ïàðàëëåëüíîé îòðèöàòåëüíîé ÎÑ ïî íàïðÿæåíèþ. Îäíèì èç íàèáîëåå õàðàêòåðíûõ ïðèìåðîâ óñèëèòåëåé, îõâà÷åííûõ ãëóáîêîé îáðàòíîé ñâÿçüþ, ÿâëÿþòñÿ ïîâòîðèòåëè íàïðÿæåíèÿ.  çàâèñèìîñòè îò òèïà èñïîëüçóåìîãî àêòèâíîãî ýëåìåíòà (òðàíçèñòîðà, ëàìïû) ðàçëè÷àþò ýìèòòåðíûé (ðèñ. 6.7), èñòîêîâûé è êàòîäíûé ïîâòîðèòåëè.  íèõ âñå âûõîäíîå íàïðÿæåíèå ÿâëÿåòñÿ íàïðÿæåíèåì îáðàòíîé ñâÿçè, ïîýòîìó ãîâîðÿò, ÷òî ýòî óñèëèòåëè ñî 100%-é îòðèöàòåëüíîé îáðàòíîé ñâÿçüþ. Çàêîðà÷èâàíèå èõ ñîïðîòèâëåíèÿ íàãðóçêè ïðèâîäèò ê ïðîïàäàíèþ ñâÿçè, ñëåäîâàòåëüíî, ýòî ñâÿçü ïî íàïðÿæåíèþ. Íàïðÿæåíèå îáðàòíîé ñâÿçè èìååò òó æå ôàçó, ÷òî è âõîäíîå, è âêëþ÷åíî ïîñëåäîâàòåëüíî ñî âõîäíûì íàïðÿæåíèåì áëîêà K (áàçàýìèòòåð VT1). Ñëåäîâàòåëüíî, ïîâòîðèòåëè ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé óñèëèòåëè, îõâà÷åííûå 100%-é ïîñëåäîâàòåëüíîé îòðèöàòåëüíîé îáðàòíîé ñâÿçüþ ïî íàïðÿæåíèþ. Äëÿ íèõ õàðàêòåðíû: êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è ïî íàïðÿæåíèþ, áëèçêèé ê 1 (b » 1, K ? 1, Kb = K/(1 + Kb) » 1), âûñîêàÿ ëèíåéíîñòü àìïëèòóäíîé Ðèñ. 6.7
162
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
õàðàêòåðèñòèêè, ìàêñèìàëüíî øèðîêàÿ ïîëîñà ïðîïóñêàíèÿ óñèëèòåëÿ, íàèáîëüøåå âõîäíîå è íàèìåíüøåå âûõîäíîå ñîïðîòèâëåíèÿ. Âñå ýòî ïðèâîäèò ê øèðîêîìó èñïîëüçîâàíèþ ïîâòîðèòåëåé äëÿ ñîãëàñîâàíèÿ âûñîêîîìíûõ èñòî÷íèêîâ âõîäíîãî ñèãíàëà ñ íèçêîîìíîé íàãðóçêîé RÍ, òàê êàê ïîäêëþ÷åíèå ïîâòîðèòåëåé ëèøü íåçíà÷èòåëüíî âëèÿåò íà èçìåíåíèå âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ èñòî÷íèêîâ ñèãíàëà, ïåðåäàâàÿ åãî ïîëíîñòüþ íà RÍ. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. 2. 3. 4.
Íàðèñóéòå ñõåìó êàñêàäà ñ ÎÝ è îòðèöàòåëüíîé ÎÑ ïî òîêó. Îáîñíóéòå âèä ÎÑ â óñèëèòåëå, ïðèâåäåííîì íà ðèñ. 6.6,á. Êàêèå óñèëèòåëè íàçûâàþòñÿ ïîâòîðèòåëÿìè? Íàðèñóéòå ñõåìó ýìèòòåðíîãî ïîâòîðèòåëÿ. Êàêîé âèä ñâÿçè òàì ïðèìåíåí? 5. Êàêèìè äîñòîèíñòâàìè îáëàäàþò ïîâòîðèòåëè?
ÃËÀÂÀ ÑÅÄÜÌÀß
ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÀÂÒÎÃÅÍÅÐÀÒÎÐÛ 7.1. ÃÅÍÅÐÀÒÎÐÛ ÃÀÐÌÎÍÈ×ÅÑÊÈÕ ÊÎËÅÁÀÍÈÉ 7.1.1. ÓÑËÎÂÈß ÑÀÌÎÂÎÇÁÓÆÄÅÍÈß
Ýëåêòðîííûì ãåíåðàòîðîì íàçûâàåòñÿ óñòðîéñòâî ôîðìèðîâàíèÿ íåçàòóõàþùèõ ýëåêòðè÷åñêèõ êîëåáàíèé òîé èëè èíîé ôîðìû, âûïîëíåííîå íà îñíîâå ïðèìåíåíèÿ ýëåêòðîííûõ ïðèáîðîâ.  ñîñòàâ ýëåêòðîííîãî ãåíåðàòîðà âõîäèò, êàê ïðàâèëî, óñèëèòåëü, êîòîðûé çà ñ÷åò ýíåðãèè èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ ñîçäàåò íà âûõîäå ãåíåðàòîðà êîëåáàíèÿ çàäàííîé ìîùíîñòè. Äëÿ ïîääåðæàíèÿ èõ íåçàòóõàþùèìè íåîáõîäèìî íà âõîä óñèëèòåëÿ ïîñòîÿííî ïîäàâàòü êîëåáàíèÿ íåóáûâàþùåé àìïëèòóäû.  ïðîñòåéøåì ñëó÷àå ýòî ìîæåò áûòü ÷àñòü êîëåáàíèÿ, âûäåëÿþùåãîñÿ â íàãðóçêå, è ïåðåäàþùåãîñÿ ïî öåïè îáðàòíîé ñâÿçè íà âõîä óñèëèòåëÿ. Òàêèì îáðàçîì, ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà ýëåêòðîííîãî ãåíåðàòîðà äîëæíà ñîñòîÿòü, êàê ìèíèìóì, èç äâóõ áëîêîâ: óñèëèòåëÿ è öåïè îáðàòíîé ñâÿçè (ðèñ. 7.1). Îáîçíà÷èì, êàê è ðàíüøå, ìîäóëü êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è ïî íàïðÿæåíèþ óñèëèòåëÿ ÷åðåç K, à öåïè îáðàòíîé ñâÿçè ÷åðåç bÑ. Êàê óæå óêàçûâàëîñü, äëÿ ïîääåðæàíèÿ íåçàòóõàþùèõ êîëåáàíèé ñèãíàë, ïðîøåäøèé ÷åðåç óñèëèòåëü, öåïü îáðàòíîé ñâÿçè è âíîâü ïîäàííûé íà âõîä óñèëèòåëÿ, äîëæåí èìåòü àìïëèòóäó íå ìåíüøå ïîäàííîé ðàíåå. Ðàññìîòðèì ýòî íà ïðîñòåéøèõ ÷èñëåííûõ ïðèìåðàõ. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî ìîäóëü êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è óñèëèòåëÿ ïî íàïðÿæåíèþ K = 10, à îáðàòíîé ñâÿçè bÑ = 1/20. Åñëè íà âõîä óñèëèòåëÿ ïîäàí ñèãíàë ñ àìïëèòóäîé â 1 Â, òî íàïðÿæåíèå, ôîðìèðóåìîå íà âûõîäå Ðèñ. 7.1
164
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
óñèëèòåëÿ UÂÛÕ = KUÂÕ, áóäåò ðàâíî 10 Â. Ñîãëàñíî ñòðóêòóðíîé ñõåìå îíî ïîëíîñòüþ ïåðåäàåòñÿ íà âõîä öåïè îáðàòíîé ñâÿçè (UÂÛÕ = UÂÕ ÎÑ), ôîðìèðóÿ íà åå âûõîäå íàïðÿæåíèå UÂÛÕ ÎÑ = bÑUÂÕ ÎÑ.  ðàññìàòðèâàåìîì ñëó÷àå UÂÛÕ ÎÑ = = 10 Â/20 = 0,5 Â. Òåïåðü óæå ýòî íàïðÿæåíèå äåéñòâóåò íà âõîäå óñèëèòåëÿ, ôîðìèðóÿ íà åãî âûõîäå ñèãíàë ñ àìïëèòóäîé 5 Â. Ïðîéäÿ ïî öåïè îáðàòíîé ñâÿçè, îí óìåíüøàåòñÿ äî 0,25  è âíîâü ïîäàåòñÿ íà âõîä óñèëèòåëÿ. Òàê áóäåò ïîâòîðÿòüñÿ ïåðèîä çà ïåðèîäîì. Èç ïðèâåäåííîãî îïèñàíèÿ âèäíî, ÷òî êàæäûé ðàç ïðè ïðîõîæäåíèè ñèãíàëà ïî ïåòëå îáðàòíîé ñâÿçè íàïðÿæåíèå, âîçäåéñòâóþùåå íà âõîä óñèëèòåëÿ, à çíà÷èò è ôîðìèðóåìîå íà åãî âûõîäå, óìåíüøàåòñÿ (êðèâàÿ 1, íà ðèñ. 7.2), òî åñòü êîëåáàíèÿ ÿâëÿþòñÿ çàòóõàþùèìè. Òàêîå óñòðîéñòâî íå âûïîëíÿåò ôóíêöèè ãåíåðàòîðà êàê ôîðìèðîâàòåëÿ íåçàòóõàþùèõ êîëåáàíèé. Âîçüìåì äðóãîé ïðèìåð, â êîòîðîì bÑ = 1/5. Àíàëîãè÷íûå ðàññóæäåíèÿ ïîêàçûâàþò, ÷òî â ýòîì ñëó÷àå ïðè òåõ æå íà÷àëüíûõ óñëîÐèñ. 7.2 âèÿõ íàïðÿæåíèå íà âõîäå óñèëèòåëÿ ïîñòîÿííî óâåëè÷èâàåòñÿ, ïîñëåäîâàòåëüíî ïðîõîäÿ çíà÷åíèÿ 1 Â, 2 Â, 4 Â, 8  è ò. ä., à çíà÷èò, ïðîïîðöèîíàëüíî óâåëè÷èâàåòñÿ è âûõîäíîå íàïðÿæåíèå (êðèâàÿ 2, íà ðèñ. 7.2). Òàêîå óñòðîéñòâî ÿâëÿåòñÿ ãåíåðàòîðîì. Ðàññìîòðèì òðåòèé ïðèìåð, â êîòîðîì bÑ = 1/10.  ýòîì ñëó÷àå ïðè êàæäîì ïðîõîæäåíèè ïî ïåòëå îáðàòíîé ñâÿçè íàïðÿæåíèÿ íà âõîäå è âûõîäå óñèëèòåëÿ íå ìåíÿþòñÿ (êðèâàÿ 3, íà ðèñ. 7.2). Ýòî ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ãðàíè÷íûé ñëó÷àé ñóùåñòâîâàíèÿ ãåíåðàòîðà. Ñðàâíèâàÿ ïðèâåäåííûå ÷èñëåííûå çíà÷åíèÿ, ïîëó÷àåì, ÷òî íåçàòóõàþùèå êîëåáàíèÿ ôîðìèðóþòñÿ, åñëè ïðîèçâåäåíèå Kb ³ 1. Äåéñòâèòåëüíî, èç ðàññìîòðåíèÿ ñòðóêòóðíîé ñõåìû (ñì. ðèñ. 7.1) âèäíî, ÷òî íàïðÿæåíèå, ïðîøåäøåå ïî ïåòëå îáðàòíîé ñâÿçè, ìîæåò áûòü çàïèñàíî â âèäå UÂÛÕ ÎÑ = UÂÕ KbÑ. Êàê óæå óêàçûâàëîñü, îíî äîëæíî áûòü íå ìåíüøå âõîäíîãî UÂÕ, òî åñòü UÂÛÕ ÎÑ ³ UÂÕ, à, ñëåäîâàòåëüíî, äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ íåçàòóõàþùèõ êîëåáàíèé ïåòëåâîå óñèëåíèå (èëè êîýôôèöèåíò ïåòëåâîé ïåðåäà÷è) KbÑ ³ 1. Ïðè KbÑ > 1 ïðîèñ-
165
ÃËÀÂÀ 7. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÀÂÒÎÃÅÍÅÐÀÒÎÐÛ
õîäèò âîçíèêíîâåíèå è íàðàñòàíèå êîëåáàíèé, à ïðè KbÑ = 1 ñòàöèîíàðíûé ðåæèì èõ ñóùåñòâîâàíèÿ. Ïîñëåäíåå óñëîâèå íàçûâàåòñÿ áàëàíñîì àìïëèòóä. Îäíàêî äëÿ ñîçäàíèÿ ãåíåðàòîðà íåäîñòàòî÷íî âûïîëíåíèÿ òîëüêî áàëàíñà àìïëèòóä. Ôîðìèðóåìîå êîëåáàíèå çíàêîïåðåìåííî è çíà÷åíèå ñèãíàëà, ïîäàâàåìîãî íà âõîä óñèëèòåëÿ, îõâà÷åííîãî îáðàòíîé ñâÿçüþ, çàâèñèò îò ôàçû êîëåáàíèÿ, ïðîøåäøåãî ïî ïåòëå ýòîé ñâÿçè. Ïðè ñèíôàçíîñòè ñèãíàëà, ïðîøåäøåãî ïî ïåòëå îáðàòíîé ñâÿçè, ñ ïåðâîíà÷àëüíûì èõ âîçäåéñòâèÿ ñêëàäûâàþòñÿ, óâåëè÷èâàÿ ðåçóëüòèðóþùåå ïðîÿâëåíèå, ïðè ïðîòèâîôàçíîñòè âû÷èòàþòñÿ, êîìïåíñèðóÿ åãî. Ðàññìîòðèì äëÿ îïðåäåëåííîñòè ôîðìèðîâàíèå ãàðìîíè÷åñêèõ êîëåáàíèé ãåíåðàòîðîì, èìåþùèì â ñâîåì ñîñòàâå ðåçîíàíñíûé óñèëèòåëü. Îñíîâíûì ôîðìèðóþùèì ýëåìåíòîì çäåñü ÿâëÿåòñÿ êîëåáàòåëüíûé êîíòóð, âêëþ÷åííûé, êàê ïðàâèëî, â êà÷åñòâå íàãðóçêè óñèëèòåëÿ. Ìû æå äëÿ íàãëÿäíîñòè ïîìåñòèì åãî íà âõîäå óñèëèòåëÿ, ÷òî íå èçìåíèò ôóíêöèîíàëüíîãî íàçíà÷åíèÿ êîíòóðà (ðèñ. 7.3,à). Êàê èçâåñòíî, â êîíòóðå ïðè âíåøíåì âîçäåéñòâèè ïðîèñõîäèò ïîî÷åðåäíûé îáìåí ýíåðãèåé ìåæäó ýëåìåíòàìè ñ ïðîòèâîïîëîæíûì õàðàêòåðîì ðåàêòèâíîñòè (êîíäåíñàòîðîì è êàòóøêîé èíäóêòèâíîñòè). Ïåðèîä ýòîãî îáìåíà õàðàêòåðèçóåò ðåçîíàíñíóþ ÷àñòîòó êîíòóðà. Åñëè âíåøíåå âîçäåéñòâèå (UÂÛÕ ÎÑ) ïî ÷àñòîòå è ôàçå ñîâïàäàåò ñ ïðîèñõîäÿùèì îáìåíîì (UÊ), òî åñòü ïðè ïåðåðàñïðåäåëåíèè ýíåðãèè ìåæäó ýëåìåíòàìè ïðîèñõîäèò åå âîçðàñòàíèå çà ñ÷åò äîáàâëåíèÿ îò á
à
Ðèñ. 7.3
â
166
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
âíåøíåé öåïè, òî ðåçóëüòèðóþùåå âîçäåéñòâèå (UÂÕ) óâåëè÷èâàåòñÿ (ñì. ðèñ. 7.3,á). Åñëè ïðè òîì æå ïåðèîäå ïîâòîðåíèÿ ñèãíàëà ôàçà âíåøíåãî êîëåáàíèÿ íå ñîâïàäàåò ñ äåéñòâóþùåé â òîò æå ìîìåíò âðåìåíè â êîíòóðå, íàïðèìåð, ïðîòèâîïîëîæíà, òî êîëåáàíèÿ â êîíòóðå ãàñÿòñÿ (ñì. ðèñ. 7.3,â). Ïîñëå âíåøíåãî âîçäåéñòâèÿ êîëåáàíèÿ â âûñîêîäîáðîòíûõ êîíòóðàõ (êîòîðûå è ïðèìåíÿþòñÿ â ãåíåðàòîðàõ) ñóùåñòâóþò íå îäèí ïåðèîä. Çà ýòî âðåìÿ ñèãíàë óñïåâàåò ïðîéòè ïî ïåòëå îáðàòíîé ñâÿçè è âíîâü îêàçûâàåòñÿ ïîäàííûì íà âõîä óñèëèòåëÿ. Åñëè åãî ôàçà ïîääåðæèâàåò êîëåáàíèÿ â êîíòóðå, òî íàïðÿæåíèå íà âûõîäå óñèëèòåëÿ óâåëè÷èâàåòñÿ, åñëè ïðîòèâîïîëîæíà òî âûõîäíîå íàïðÿæåíèå îñëàáëÿåòñÿ. Îáîçíà÷èì ÷åðåç jÊ ñäâèã ôàç ìåæäó íàïðÿæåíèÿìè, äåéñòâóþùèìè íà âõîäå è âûõîäå óñèëèòåëÿ, à ÷åðåç jb ñäâèã ôàç ìåæäó íàïðÿæåíèÿìè íà âõîäå è âûõîäå öåïè îáðàòíîé ñâÿçè. Êàê óêàçûâàëîñü âûøå, êîëåáàíèÿ â ãåíåðàòîðå áóäóò ïîääåðæèâàòüñÿ íåçàòóõàþùèìè, åñëè âõîäíîé ñèãíàë óñèëèòåëÿ è ïðîøåäøèé ïî ïåòëå îáðàòíîé ñâÿçè ñèíôàçíû. Ñëåäîâàòåëüíî, ñóììà ñäâèãîâ ôàç, âíîñèìûõ óñèëèòåëåì (jÊ) è öåïüþ îáðàòíîé ñâÿçè (jb), äîëæíà áûòü ðàâíà íóëþ èëè êðàòíà 360°. Ýòî ÿâëÿåòñÿ âòîðûì óñëîâèåì ñàìîâîçáóæäåíèÿ è íàçûâàåòñÿ áàëàíñîì ôàç: jÊ + jb = 2pn, çäåñü n = 0, 1, 2
Ïîýòîìó â ãåíåðàòîðå êîëåáàíèÿ ñóùåñòâóþò íà ÷àñòîòå, íà êîòîðîé îäíîâðåìåííî âûïîëíÿþòñÿ îáà óñëîâèÿ: è áàëàíñ àìïëèòóä, è áàëàíñ ôàç. Åñëè ó÷åñòü, ÷òî â îáùåì ñëó÷àå êîìïëåêñíûå êîýôôèöèåíòû óñèëåíèÿ óñèëèòåëÿ 2 2 22 111 è öåïè îáðàòíîé ñâÿçè 11 3 11 2 121 3 òî óñëîâèå ñóùåñòâîâàíèÿ ðåæèìà ñòàöèîíàðíûõ êîëåáàíèé ìîæåò áûòü â îáùåì âèäå ïðåäñòàâëåíî òàê: KbÑ = 1.
(7.1)
Ýòà çàïèñü îáúåäèíÿåò ðàññìîòðåííûå ðàíåå áàëàíñû àìïëèòóä è ôàç. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. 2. 3. 4. 5.
×òî íàçûâàåòñÿ ãåíåðàòîðîì? Êàêèå äâà óñëîâèÿ ñàìîâîçáóæäåíèÿ âû çíàåòå? Ïîÿñíèòå ôèçè÷åñêèé ñìûñë áàëàíñà àìïëèòóä. Ïîÿñíèòå ôèçè÷åñêèé ñìûñë áàëàíñà ôàç. ×åì ðåæèì âîçíèêíîâåíèÿ êîëåáàíèé îòëè÷àåòñÿ îò ñòàöèîíàðíîãî ðåæèìà èõ ñóùåñòâîâàíèÿ (ðåæèìà ïîääåðæàíèÿ êîëåáàíèé)?
ÃËÀÂÀ 7. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÀÂÒÎÃÅÍÅÐÀÒÎÐÛ
167
7.1.2. ÐÅÆÈÌÛ ÐÀÁÎÒÛ ÀÂÒÎÃÅÍÅÐÀÒÎÐÀ
Ãåíåðàòîð, ðàáîòàþùèé â ðåæèìå ñàìîâîçáóæäåíèÿ, íàçûâàåòñÿ àâòîãåíåðàòîðîì.  íåì, êàê óêàçûâàëîñü âûøå, ÷àñòü âûõîäíîãî êîëåáàíèÿ ïåðåäàåòñÿ íà âõîä óñèëèòåëÿ ÷åðåç öåïü îáðàòíîé ñâÿçè (ñì. ðèñ. 7.1). Ó÷èòûâàÿ, ÷òî ðåæèìû âîçíèêíîâåíèÿ êîëåáàíèé (KbÑ > 1) è ïîääåðæàíèÿ èõ ñòàöèîíàðíûìè (KbÑ = 1) áëèçêè, íî íå îäèíàêîâû, ìîæíî ñäåëàòü âûâîä, ÷òî àâòîãåíåðàòîð äîëæåí ñíà÷àëà ðàáîòàòü â ïåðâîì èç íèõ, à çàòåì âî âòîðîì. Ïðè ìàëûõ àìïëèòóäàõ îí áóäåò ñïîñîáñòâîâàòü âîçðàñòàíèþ êîëåáàíèé, à çàòåì (ïðè áîëüøèõ àìïëèòóäàõ) ïîääåðæèâàòü êîëåáàíèÿ íåèçìåííûìè. Ñëåäîâàòåëüíî, ïåòëåâîå óñèëåíèå àâòîãåíåðàòîðà (KbÑ) äîëæíî çàâèñåòü îò àìïëèòóäû ôîðìèðóåìîãî íàïðÿæåíèÿ. Ðàññìîòðèì ïîäðîáíåå ðåæèìû ðàáîòû àâòîãåíåðàòîðà. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî óñèëèòåëü è öåïü îáðàòíîé ñâÿçè èìåþò ïîñòîÿííûå êîýôôèöèåíòû ïåðåäà÷è, ïðè êîòîðûõ óñëîâèå âîçíèêíîâåíèÿ êîëåáàíèé (KbÑ > 1) âûïîëíÿåòñÿ.  ýòîì ñëó÷àå ïðè ïðîõîæäåíèè ñèãíàëà ïî ïåòëå îáðàòíîé ñâÿçè àìïëèòóäà âõîäíîãî, à çíà÷èò è âûõîäíîãî, êîëåáàíèé ãåíåðàòîðà äîëæíû âîçðàñòàòü è ñòðåìèòüñÿ ê áåñêîíå÷íîñòè. Ïîñëåäíåå ïðè íàïðÿæåíèè ïèòàíèÿ ôèêñèðîâàííîé âåëè÷èíû ôèçè÷åñêè íåðåàëèçóåìî. Ïîýòîìó êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è óñèëèòåëÿ èëè öåïè îáðàòíîé ñâÿçè, èëè îáîèõ ñ óâåëè÷åíèåì âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ äîëæåí èçìåíÿòüñÿ òàê, ÷òîáû ïðè îäíîì èç èõ çíà÷åíèé íàñòóïèë ðåæèì ñòàöèîíàðíûõ êîëåáàíèé, òî åñòü KbÑ = 1. Ýòî ðåàëèçóåòñÿ ðàçíûìè ñïîñîáàìè è ïî-ðàçíîìó âëèÿåò íà ôîðìó âûõîäíîãî êîëåáàíèÿ. Îáû÷íî öåïü îáðàòíîé ñâÿçè ðåàëèçóåòñÿ ñ ïîìîùüþ ëèíåéíûõ ýëåìåíòîâ, è åå êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è îñòàåòñÿ ïîñòîÿííûì, ðàâíûì bÑ , ïðè ëþáîé àìïëèòóäå âõîäíîãî ñèãíàëà. Ïîýòîìó íàèáîëåå ÷àñòî èçìåíÿåìûì îêàçûâàåòñÿ êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è óñèëèòåëÿ. Õàðàêòåðèñòèêè åãî àêòèâíîãî ýëåìåíòà (íàïðèìåð, òðàíçèñòîðà) îáëàäàþò íåëèíåéíîñòÿìè, êîòîðûå ìîãóò ñëóæèòü îñíîâîé óêàçàííîé çàâèñèìîñòè. Íàïðèìåð, âûõîäíîå íàïðÿæåíèå òðàíçèñòîðíîãî ðåçèñòîðíîãî óñèëèòåëüíîãî êàñêàäà îïðåäåëÿåòñÿ ïî ôîðìóëå UÂÛÕ = ImÊ RÍ, à òîê êîëëåêòîðà òðàíçèñòîðà ImÊ ñâÿçàí ñ òîêîì áàçû ImÁ ñîîòíîøåíèåì ImÊ = ImÁ h21Ý (çäåñü, êàê è ðàíüøå, ñ÷èòàåì, ÷òî êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è ïî òîêó äëÿ ñõåìû ñ îáùèì ýìèòòåðîì
168
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
à
á
Ðèñ. 7.4
h21Ý = const äëÿ âñåõ çíà÷åíèé òîêà). Åñëè â êà÷åñòâå âõîäíîãî ïðèíÿòü íàïðÿæåíèå áàçàýìèòòåð òðàíçèñòîðà (UÂÕ = UÝÁ), òî ôîðìà òîêà êîëëåêòîðà, âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ è âåëè÷èíà êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è êàñêàäà áóäóò îïðåäåëÿòüñÿ ãðàôèêîì âõîäíîé õàðàêòåðèñòèêè òðàíçèñòîðà IÁ = f(UÝÁ) (ñì. ï. 3.2.3.1), óïðîùåííûé âèä êîòîðîãî ïîêàçàí íà ðèñ. 7.4,à. Íà íåì ðàçíûì ó÷àñòêàì íàïðÿæåíèÿ áàçàýìèòòåð ñîîòâåòñòâóþò íåîäèíàêîâûå óãëû íàêëîíà ãðàôèêà, à çíà÷èò, óâåëè÷èâàþùèåñÿ çíà÷åíèÿ òîêîâ áàçû, êîëëåêòîðà è âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ. Ýòî èçìåíÿåò êàê ôîðìó ïîëó÷àåìîãî êîëåáàíèÿ, òàê è êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è óñèëèòåëÿ K = UÂÛÕ/UÂÕ. Êðîìå òîãî, ïîñòîÿííî óâåëè÷èâàþùååñÿ âõîäíîå íàïðÿæåíèå ïðèâîäèò ê òîìó, ÷òî äëÿ îòðèöàòåëüíîé ïîëóâîëíû ñèãíàëà â êàêîé-òî ìîìåíò âðåìåíè ìãíîâåííîå çíà÷åíèå âõîäíîãî êîëåáàíèÿ ìîæåò îïóñòèòüñÿ íèæå ïîðîãà îòêðûâàíèÿ òðàíçèñòîðà, è îí çàêðîåòñÿ. Âîçíèêàåò îòñå÷êà êîëëåêòîðíîãî òîêà, êîòîðàÿ âëèÿåò íà àìïëèòóäó è ôîðìó ãåíåðèðóåìîãî êîëåáàíèÿ. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ íåèñêàæåííîãî êîëåáàíèÿ â óñèëèòåëÿõ ãåíåðàòîðîâ ãàðìîíè÷åñêèõ êîëåáàíèé èñïîëüçóþò âûñîêîäîáðîòíûå ôèëüòðóþùèå öåïè, íàïðèìåð, êîëåáàòåëüíûå êîíòóðû, êîòîðûå ôîðìèðóþò êîëåáàíèÿ òîëüêî ñ çàäàííîé ÷àñòîòîé è îòñåèâàþò âñå äðóãèå. Ïîýòîìó âûõîäíîå íàïðÿæåíèå òàêîãî óñèëèòåëÿ, íåçàâèñèìî îò ôîðìû ïîäàâàåìîãî â êîíòóð òîêà, ñòàíîâèòñÿ áëèçêèì ê ãàðìîíè÷åñêîìó. Ýòî ïîçâîëÿåò ïðè ãàðìîíè÷åñêîì âõîäíîì ñèãíàëå íå îáðàùàòü âíèìàíèÿ íà èñêàæåíèÿ, âîçíèêàþùèå â ïðîöåññå óñèëåíèÿ, è êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è óñèëèòåëÿ K îöåíèâàòü â ñðåäíåì, òî åñòü êàê îòíîøåíèå íàïðÿæåíèé ïîëó÷àþùåãîñÿ âûõîäíîãî è âõîäíîãî êîëåáàíèé. Çàâèñèìîñòü K îò àìïëèòóäû âõîäíîãî ñèãíàëà ìîæåò èìåòü ðàçëè÷íûé âèä. Åñëè ðàáî÷óþ òî÷êó òðàíçèñòîðà âû-
ÃËÀÂÀ 7. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÀÂÒÎÃÅÍÅÐÀÒÎÐÛ
169
áðàòü íà íèæíåì (íåëèíåéíîì) ó÷àñòêå åãî âõîäíîé õàðàêòåðèñòèêè, èìåþùåì ìàëóþ êðóòèçíó (ðèñ. 7.4,à), òî ïðè ïîäà÷å âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ òîêè áàçû, êîëëåêòîðà, âûõîäíîå íàïðÿæåíèå, à çíà÷èò, è êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è K, èìåþò íåáîëüøèå çíà÷åíèÿ (ãðàôèê K, ðèñ. 7.5). Ïðè óâåëè÷åíèè âõîäíîãî êîëåáàíèÿ â êà÷åñòâå ðàáî÷åãî áóäåò èñïîëüçîâàòüñÿ âñå áîëüøèé ó÷àñòîê âõîäíîé õàðàêòåðèñòèêè òðàíçèñòîðà ñ óâåëè÷èâàþùåéñÿ êðóòèçíîé, è êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è óñèëèòåëÿ áóäåò âîçðàñòàòü (ðèñ. 7.5).  äàëüíåéøåì, êîãäà óñèëåíèå ïðîèñõîäèò ñ èñïîëüçîâàíèåì â îñíîâíîì ëèíåéíîãî ó÷àñòêà âõîäíîé õàðàêòåðèñòèêè, ðîñò êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è çàìåäëÿåòñÿ, à çàòåì îí îñòàåòñÿ ïîñòîÿííûì (ñðåäíèé ó÷àñòîê ãðàôèêà K). Åñëè æå ïåðâîíà÷àëüíî ðàáî÷óþ òî÷êó âûáðàòü íà ó÷àñòêå ñ áîëüøåé êðóòèçíîé, òî íà÷àëüíûå çíà÷åíèÿ K óâåëè÷àòñÿ, è ãðàôèê íà÷íåòñÿ Ðèñ. 7.5 âûøå (íà ðèñ. 7.5 ïîêàçàíî øòðèõàìè). Ïðè âûáîðå ðàáî÷åé òî÷êè íà ñåðåäèíå ëèíåéíîãî ó÷àñòêà âõîäíîé õàðàêòåðèñòèêè òðàíçèñòîðà ðàññìîòðåííîãî âûøå íà÷àëüíîãî èçìåíåíèÿ K íå áóäåò, åãî çíà÷åíèå îñòàåòñÿ ïîñòîÿííûì ïðè ëþáûõ ìàëûõ àìïëèòóäàõ âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ. Íàëè÷èå íà ðàññìàòðèâàåìîì ãðàôèêå K ïàäàþùåãî ó÷àñòêà ïðè áîëüøèõ àìïëèòóäàõ âõîäíîãî ñèãíàëà ìîæåò áûòü îáóñëîâëåíî íåñêîëüêèìè ïðè÷èíàìè: íåëèíåéíîñòüþ ñêâîçíîé ïåðåäàòî÷íîé õàðàêòåðèñòèêè óñèëèòåëüíîãî ýëåìåíòà, ñïåöèàëüíûìè ñõåìîòåõíè÷åñêèìè ñðåäñòâàìè; â ïðîñòåéøåì æå ñëó÷àå îíî ñâÿçàíî ñ îãðàíè÷åííîé âåëè÷èíîé íàïðÿæåíèÿ ïèòàíèÿ.  ðàçäåëå 5.1. áûëî ïîêàçàíî, ÷òî ìàêñèìàëüíàÿ àìïëèòóäà âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ óñèëèòåëÿ îïðåäåëÿåòñÿ íàïðÿæåíèåì ïèòàíèÿ (ÅÏ). Îíà íå ïðåâûøàåò ýòîé âåëè÷èíû äëÿ òðàíñôîðìàòîðíûõ óñèëèòåëåé è ÅÏ/2 äëÿ áåñòðàíñôîðìàòîðíûõ (ðèñ. 7.4,á). Ïðè ïðèáëèæåíèè ê ýòîé âåëè÷èíå è åå äîñòèæåíèè íà âåðõóøêàõ ïîëóâîëí ñèíóñîèäû ïîÿâëÿåòñÿ «îòñå÷êà», ñèìâîëèçèðóþùàÿ èñïîëüçîâàíèå âñåãî íàïðÿæåíèÿ ïèòàíèÿ. Äàëüíåéøåå óâåëè÷åíèå âõîäíîãî
170
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
êîëåáàíèÿ UÂÕ ïðèâîäèò ëèøü ê âîçðàñòàíèþ îòñå÷êè, ñîõðàíÿÿ àìïëèòóäó âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ UÂÛÕ íåèçìåííîé. Òàêîå ñîîòíîøåíèå ìåæäó UÂÕ è UÂÛÕ ýêâèâàëåíòíî óìåíüøåíèþ êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è óñèëèòåëÿ K = UÂÛÕ/UÂÕ ® 0 è õàðàêòåðèçóåò ïàäàþùèé ó÷àñòîê ãðàôèêà çàâèñèìîñòè K = f(UÂÕ). Èç-çà íåëèíåéíîñòè õàðàêòåðèñòèê òðàíçèñòîðà, óìåíüøåíèå ïðèðàùåíèÿ âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ ðåàëüíî íàñòóïàåò ðàíüøå, ÷åì ïðè äîñòèæåíèè àìïëèòóäîé ïðåäåëüíîãî çíà÷åíèÿ, è ñïàä óïîìÿíóòîãî ãðàôèêà K ÿâëÿåòñÿ ïîëîãèì.  íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ óìåíüøåíèå êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ ñîçäàåòñÿ ñïåöèàëüíûìè ñõåìîòåõíè÷åñêèìè ñðåäñòâàìè (íàïðèìåð, çà ñ÷åò âûäåëåíèÿ ïîñòîÿííîãî íàïðÿæåíèÿ íà R3, Ñ3, êàê â ãåíåðàòîðå, ñõåìà êîòîðîãî ïîêàçàíà íà ðèñ. 7.6).  ýòîì ñëó÷àå âûõîäíîå íàïðÿæåíèå íå äîñòèãàåò çíà÷åíèé, îãðàíè÷åííûõ íàïðÿæåíèåì ïèòàíèÿ (çíà÷åíèå K óìåíüøàåòñÿ ðàíüøå), è îòñå÷êà íà ôîðìèðóåìîì êîëåáàíèè íå ïîÿâëÿåòñÿ. Êàê óæå óêàçûâàëîñü, êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è öåïè îáðàòíîé ñâÿçè, ñîñòîÿùåé èç ëèíåéíûõ ýëåìåíòîâ, íå çàâèñèò îò àìïëèòóäû âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ è îñòàåòñÿ ïîñòîÿííûì, ðàâíûì bÑ, ïðè ëþáîé âåëè÷èíå âõîäíîãî ñèãíàëà. Ïîýòîìó íà ðèñ. 7.5 åãî ãðàôèê èçîáðàæåí ãîðèçîíòàëüíîé ïðÿìîé (1/bÑ), ïðîâåäåííîé ïàðàëëåëüíî îñè àáñöèññ è îòñòîÿùåé îò íåå íà âåëè÷èíó, ïðîïîðöèîíàëüíóþ 1/bÑ. Ñîâîêóïíîñòü ïðèâåäåííûõ ãðàôèêîâ (ðèñ. 7.5) ïîçâîëÿåò ðàçäåëèòü ó÷àñòêè, íà êîòîðûõ äåéñòâóþò ðåæèìû âîçíèêíîâåíèÿ êîëåáàíèé è ñòàöèîíàðíîé ðàáîòû àâòîãåíåðàòîðà. Îáîçíà÷èì òî÷êè ïåðåñå÷åíèÿ óêàçàííûõ ãðàôèêîâ áóêâàìè À è Â. Íà ó÷àñòêå ìåæäó íèìè ãðàôèê K ïðîõîäèò âûøå ëèíèè 1/bÑ, õàðàêòåðèçóþùåé öåïü îáðàòíîé ñâÿçè, òî åñòü K > 1/bÑ, à çíà÷èò KbÑ > 1. Çäåñü äåéñòâóåò ðåæèì âîçíèêíîâåíèÿ êîëåáàíèé. Íà äðóãèõ ó÷àñòêàõ íàîáîðîò: ãðàôèê K ðàñïîëîæåí íèæå ëèíèè 1/bÑ, òî åñòü K < 1/bÑ, à çíà÷èò, KbÑ < 1, è çäåñü êîëåáàíèÿ çàòóõàþò.  òî÷êàõ À è  ãðàôèêè ïåðåñåêàþòñÿ, òî åñòü KbÑ = 1. Òî÷êà À íàçûâàåòñÿ òî÷êîé íåóñòîé÷èâîãî, à  óñòîé÷èâîãî ðàâíîâåñèÿ. Ðàññìîòðèì ýòî ïîäðîáíåå. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî íà âõîä óñèëèòåëÿ ïîäàíî íàïðÿæåíèå, ñîîòâåòñòâóþùåå òî÷êå À.  ýòîì ñëó÷àå, êàê óêàçûâàëîñü, ïåòëåâîå óñèëåíèå KbÑ = 1 è ïåðèîä çà ïåðèîäîì, ïðîõîäÿ ïî
ÃËÀÂÀ 7. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÀÂÒÎÃÅÍÅÐÀÒÎÐÛ
171
ïåòëå îáðàòíîé ñâÿçè, íà âõîä óñèëèòåëÿ ïîäàåòñÿ îäíî è òî æå íàïðÿæåíèå. Åñëè ïî êàêèì-ëèáî ïðè÷èíàì åãî âåëè÷èíà óìåíüøèòñÿ (íàïðèìåð, äî çíà÷åíèÿ UÂÕ1), òî íîâîìó çíà÷åíèþ íàïðÿæåíèÿ áóäåò ñîîòâåòñòâîâàòü íîâîå çíà÷åíèå êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ K1, êîòîðîå áóäåò ìåíüøå, ÷åì â òî÷êå À, à çíà÷èò, è ïåòëåâîå óñèëåíèå áóäåò ìåíüøå 1. Ïîýòîìó, ïðîéäÿ ïî ïåòëå îáðàòíîé ñâÿçè, âõîäíîé ñèãíàë çà ñ÷åò óìåíüøåíèÿ êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è K îêàæåòñÿ äîïîëíèòåëüíî óìåíüøåííûì. Íî íîâîìó åãî çíà÷åíèþ áóäåò ñîîòâåòñòâîâàòü åùå ìåíüøåå çíà÷åíèå K, ÷òî ïðèâåäåò ê åùå áîëüøåìó óìåíüøåíèþ àìïëèòóäû è ïîñòåïåííîìó åå çàòóõàíèþ. Òàêèå ïðîöåññû áóäóò ïðîèñõîäèòü ïðè ëþáîì óìåíüøåíèè âõîäíîãî ñèãíàëà îò òî÷êè À. Åñëè àìïëèòóäà âõîäíîãî ñèãíàëà ïî êàêèì-ëèáî ïðè÷èíàì óâåëè÷èòñÿ, íàïðèìåð, äî UÂÕ2, òî åå íîâîìó çíà÷åíèþ áóäåò ñîîòâåòñòâîâàòü áîëüøåå çíà÷åíèå Ê è ïåòëåâîå óñèëåíèå KbÑ > 1. Ýòî ïðèâåäåò ê âîçðàñòàíèþ êîëåáàíèÿ, ïðîøåäøåãî ïî ïåòëå îáðàòíîé ñâÿçè è ïîñòîÿííîìó óâåëè÷åíèþ àìïëèòóäû âõîäíîãî ñèãíàëà. Òàêîå âîçðàñòàíèå áóäåò íàáëþäàòüñÿ è ïðè ïåðåõîäå íà ó÷àñòîê ïîñòîÿíñòâà êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è óñèëèòåëÿ, à òàêæå äàëåå, âïëîòü äî òî÷êè Â, òàê êàê âî âñåõ ýòèõ ñëó÷àÿõ KbÑ > 1. Ïðè äîñòèæåíèè âõîäíûì íàïðÿæåíèåì çíà÷åíèÿ, ñîîòâåòñòâóþùåãî òî÷êå Â, ïîëîæåíèå ìåíÿåòñÿ. Çäåñü, êàê è â òî÷êå À, ïåòëåâîå óñèëåíèå KbÑ = 1, ïðè ïðîõîæäåíèè æå ïî ïåòëå îáðàòíîé ñâÿçè íà âõîä óñèëèòåëÿ ïåðèîä çà ïåðèîäîì ïîäàåòñÿ îäíî è òî æå íàïðÿæåíèå. Åñëè ïî êàêèì-ëèáî ïðè÷èíàì îíî óâåëè÷èòñÿ, äîñòèãíóâ, íàïðèìåð, çíà÷åíèÿ UÂÕ4, òî èç ðèñ. 7.5 âèäíî, ÷òî åìó ñîîòâåòñòâóåò êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ ìåíüøèé, ÷åì â òî÷êå Â. Çíà÷èò, ïåòëåâîå óñèëåíèå áóäåò ìåíüøå 1 è, ïðîéäÿ ïî ïåòëå îáðàòíîé ñâÿçè, ñèãíàë ñòàíåò ìåíüøèì, ÷åì äåéñòâóþùèé äî ýòîãî íà âõîäå. Ïðåäïîëîæèì, åãî âåëè÷èíà äîñòèãíåò çíà÷åíèÿ UÂÕ3. Ýòîìó íàïðÿæåíèþ ñîîòâåòñòâóåò êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ áîëüøèé, ÷åì â òî÷êå Â, çíà÷èò ïåòëåâîå óñèëåíèå KbÑ > 1, è ïîäàâàåìîå íà âõîä íàïðÿæåíèå óâåëè÷èòñÿ. Åñëè åãî çíà÷åíèå îêàæåòñÿ áîëüøå UÂÕ Â, ñîîòâåòñòâóþùåãî òî÷êå Â, òî âñå ïðîöåññû ïîâòîðÿòñÿ, ñòÿãèâàÿñü ïîñòåïåííî â ýòó òî÷êó. Ïîýòîìó òî÷êà  íàçûâàåòñÿ òî÷êîé óñòîé÷èâîãî ðàâíîâåñèÿ è ñîîòâåòñòâóåò ñòàöèîíàðíîìó ðåæèìó ðàáîòû àâòîãåíåðàòîðà.
172
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1.  ÷åì îñîáåííîñòü ñóùåñòâîâàíèÿ ðåæèìîâ âîçíèêíîâåíèÿ êîëåáàíèé è ïîääåðæàíèÿ èõ ñòàöèîíàðíûìè? 2. Îáúÿñíèòå âèä è ïðè÷èíû ñóùåñòâîâàíèÿ íà ãðàôèêå çàâèñèìîñòè K îò âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ òðåõ õàðàêòåðíûõ ó÷àñòêîâ. 3. Êàêèì áëîêîì ñòðóêòóðíîé ñõåìû àâòîãåíåðàòîðà (ðèñ. 7.1) îïðåäåëÿåòñÿ õîä ãðàôèêà 1/bÑ? 4. Ïî÷åìó òî÷êà À (ðèñ. 7.5) íàçûâàåòñÿ òî÷êîé íåóñòîé÷èâîãî ðàâíîâåñèÿ? 5. Ïî÷åìó â òî÷êå  (ðèñ. 7.5) íàáëþäàåòñÿ óñòîé÷èâîñòü àìïëèòóäû àâòîêîëåáàíèÿ? 7.1.3. ÌßÃÊÈÉ È ÆÅÑÒÊÈÉ ÐÅÆÈÌÛ ÑÀÌÎÂÎÇÁÓÆÄÅÍÈß
Èç ðàññìîòðåííîãî âûøå îïèñàíèÿ ðàáîòû àâòîãåíåðàòîðà ñëåäóåò, ÷òî äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ â íåì íåçàòóõàþùèõ êîëåáàíèé íà âõîä óñèëèòåëÿ íåîáõîäèìî ïîäàòü íàïðÿæåíèå, ïðåâûøàþùåå çíà÷åíèå, ñîîòâåòñòâóþùåå òî÷êå À. Ðåæèì, ïðè êîòîðîì äëÿ âîçáóæäåíèÿ àâòîãåíåðàòîðà òðåáóåòñÿ ïîäà÷à íà âõîä óñèëèòåëÿ íàïðÿæåíèÿ, ïðåâûøàþùåãî íåêîòîðûé, íàïåðåä çàäàííûé ïîðîã, íàçûâàåòñÿ æåñòêèì. Åñëè íåçàòóõàþùèå êîëåáàíèÿ âîçíèêàþò ñðàçó ïîñëå âêëþ÷åíèÿ ïèòàíèÿ, òî òàêîé ðåæèì ñàìîâîçáóæäåíèÿ íàçûâàþò ìÿãêèì. Äëÿ ìÿãêîãî ðåæèìà íåîáõîäèìî, ÷òîáû ïåòëåâîå óñèëåíèå (KbÑ) áûëî áîëüøå åäèíèöû ïðè ëþáûõ, ñêîëü óãîäíî ìàëûõ çíà÷åíèÿõ âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ, òî åñòü ãðàôèê K íà ðèñ. 7.5 â ëåâîé ñâîåé ÷àñòè âñåãäà ïðîõîäèë âûøå ãðàôèêà 1/bÑ. Ðàíåå óêàçûâàëîñü, ÷òî íåïîñòîÿíñòâî êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è â ýòîé îáëàñòè îáóñëîâëåíî íåëèíåéíîñòüþ âõîäíîé õàðàêòåðèñòèêè òðàíçèñòîðà. Äëÿ åå óñòðàíåíèÿ äîñòàòî÷íî âûáðàòü ðàáî÷óþ òî÷êó íà ëèíåéíîì ó÷àñòêå åãî âõîäíîé õàðàêòåðèñòèêè (ñì. ðèñ. 7.4,à), òî åñòü ïîäàòü ìåæäó áàçîé è ýìèòòåðîì òðàíçèñòîðà íåêîòîðîå íà÷àëüíîå íàïðÿæåíèå ñìåùåíèÿ. Åñëè âåëè÷èíà ñìåùåíèÿ íåäîñòàòî÷íà (íàïðèìåð, òàêàÿ, äëÿ êîòîðîé íà÷àëüíûé ó÷àñòîê ãðàôèêà K íà ðèñ. 7.5 ïîêàçàí øòðèõîâîé ëèíèåé), òî â àâòîãåíåðàòîðå ñîõðàíÿåòñÿ æåñòêèé ðåæèì ñàìîâîçáóæäåíèÿ. Îäíàêî ïðè óâåëè÷åíèè êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è öåïè îáðàòíîé ñâÿçè bÑ ïîðîã âîçáóæäåíèÿ ãåíåðàòîðà íà÷íåò ïîíèæàòüñÿ è ïðè îïóñêàíèè ëèíèè 1/bÑ íèæå çíà÷åíèÿ 1/b1 ðåæèì âîçáóæäåíèÿ èç æåñòêîãî ïåðåõîäèò â ìÿãêèé.
ÃËÀÂÀ 7. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÀÂÒÎÃÅÍÅÐÀÒÎÐÛ
173
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû 1. Êàêîé ðåæèì íàçûâàþò «ìÿãêèì» ðåæèìîì ñàìîâîçáóæäåíèÿ? 2. Êàêîé ðåæèì íàçûâàþò «æåñòêèì» ðåæèìîì ñàìîâîçáóæäåíèÿ? 3. Ïðè êàêîì ñîîòíîøåíèè êîýôôèöèåíòîâ ïåðåäà÷è óñèëèòåëÿ è öåïè îáðàòíîé ñâÿçè ñóùåñòâóþò ìÿãêèé è æåñòêèé ðåæèìû ñàìîâîçáóæäåíèÿ? 4. Êàê ãðàôè÷åñêè îïðåäåëèòü àìïëèòóäó âõîäíîãî êîëåáàíèÿ, íåîáõîäèìóþ äëÿ ðàáîòû ãåíåðàòîðà ïðè æåñòêîì ðåæèìå ñàìîâîçáóæäåíèÿ? 5. Êàêèì ñïîñîáîì ìîæíî ïåðåéòè èç ðåæèìà æåñòêîãî â ðåæèì ìÿãêîãî ñàìîâîçáóæäåíèÿ? 7.1.4 ÃÅÍÅÐÀÒÎÐ ÃÀÐÌÎÍÈ×ÅÑÊÈÕ ÊÎËÅÁÀÍÈÉ Ñ ÒÐÀÍÑÔÎÐÌÀÒÎÐÍÎÉ ÎÁÐÀÒÍÎÉ ÑÂßÇÜÞ
Ãåíåðàòîðîì ãàðìîíè÷åñêèõ êîëåáàíèé íàçûâàþò óñòðîéñòâî, ôîðìèðóþùåå êîëåáàíèÿ ñèíóñîèäàëüíîé (êîñèíóñîèäàëüíîé) ôîðìû. Ïî ïîñòðîåíèþ öåïè ÎÑ èõ äåëÿò íà òðàíñôîðìàòîðíûå, åñëè â êà÷åñòâå åå èñïîëüçóåòñÿ òðàíñôîðìàòîð, òðåõòî÷å÷íûå ïðè èñïîëüçîâàíèè îòâîäà (ñðåäíåé òî÷êè) îäíîé èç âåòâåé êîëåáàòåëüíîãî êîíòóðà, RC-ãåíåðàòîðû åñëè äëÿ ÎÑ ïðèìåíÿþòñÿ RC-öåïè.  óñèëèòåëüíûõ êàñêàäàõ ëþáûõ àâòîãåíåðàòîðîâ àêòèâíûå ýëåìåíòû îáû÷íî èñïîëüçóþò â ðåæèìàõ ìàêñèìàëüíîãî óñèëåíèÿ: áèïîëÿðíûå òðàíçèñòîðû âêëþ÷àþò ïî ñõåìå ñ ÎÝ, ïîëåâûå ñ îáùèì èñòîêîì, ëàìïû ñ îáùèì êàòîäîì. Êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ òàêèõ êàñêàäîâ ñîñòàâëÿåò äåñÿòêè è ñîòíè, ïîýòîìó äëÿ âûïîëíåíèÿ óñëîâèÿ ñóùåñòâîâàíèÿ â àâòîãåíåðàòîðå êîëåáàíèé êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è öåïè îáðàòíîé ñâÿçè ìîæåò áûòü âûáðàí ëþáûì bÑ ³ 1/K, à çíà÷èò, áàëàíñ àìïëèòóä îáû÷íî îáåñïå÷èâàåòñÿ áåç òðóäà. Îñîáåííîñòüþ ïåðå÷èñëåííûõ êàñêàäîâ ÿâëÿåòñÿ íàëè÷èå ñäâèãà ôàç ìåæäó èõ âûõîäíûì è âõîäíûì íàïðÿæåíèÿìè, êîòîðûé ñîñòàâëÿåò 180°.  ýòîì ñëó÷àå äëÿ îáåñïå÷åíèÿ â àâòîãåíåðàòîðàõ áàëàíñà ôàç íåîáõîäèìî, ÷òîáû ñäâèã ôàç ìåæäó âûõîäíûì è âõîäíûì íàïðÿæåíèÿìè öåïè îáðàòíîé ñâÿçè òîæå ñîñòàâëÿë 180°. Ýòî äîñòèãàåòñÿ ðàçíûìè ñïîñîáàìè. Ðàññìîòðèì íåêîòîðûå âàðèàíòû ïîñòðîåíèÿ àâòîãåíåðàòîðîâ. Íà ðèñ. 7.6 ïðèâåäåíà ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà îäíîãî èç íàèáîëåå ïðîñòûõ è ðàñïðîñòðàíåííûõ òðàíñôîðìàòîðíîãî ãåíåðàòîðà ãàðìîíè÷åñêèõ êîëåáàíèé.
174
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
Ôîðìèðîâàíèå âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ ïðîèñõîäèò â íåì ñ ïîìîùüþ ðåçîíàíñíîãî óñèëèòåëÿ, âûïîëíåííîãî íà òðàíçèñòîðå VT, âêëþ÷åííîì ïî ñõåìå ñ ÎÝ. Íàãðóçêîé óñèëèòåëÿ ñëóæèò êîëåáàòåëüíûé êîíòóð LÊCÊ, íàñòðîåííûé íà ÷àñòîòó ãåíåðèðóåìîãî êîëåáàíèÿ. Âíåøíÿÿ íàãðóçêà ê ãåíåðàòîðó ìîæåò áûòü ïîäêëþ÷åíà êàê òðàäèöèîííûì ñïîñîáîì ÷åðåç ðàçäåëèòåëüíûé êîíäåíñàòîð ê âûõîäó óñèëèòåëÿ (ìåæäó êîëëåêòîðîì è ýìèòòåðîì VT), òàê ñ ïîìîùüþ äîïîëíèòåëüíîé êàòóøêè ñâÿçè, ðàçÐèñ. 7.6 ìåùåííîé ñ LÊ íà îáùåì ñåðäå÷íèêå. Ðåçèñòèâíûé äåëèòåëü R1, R2 çàäàåò äëÿ òðàíçèñòîðà íàïðÿæåíèå íà÷àëüíîãî ñìåùåíèÿ, êîòîðîå ñ ïîìîùüþ áëîêèðîâî÷íûõ êîíäåíñàòîðîâ C1 è C2 äëÿ ïåðåìåííîé ñîñòàâëÿþùåé òîêà ïîääåðæèâàåòñÿ íåèçìåííûì. Öåïî÷êà RÇÑÇ ñîçäàåò àâòîìàòè÷åñêîå ñìåùåíèå, óìåíüøàþùåå êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è óñèëèòåëÿ ïðè áîëüøèõ âõîäíûõ íàïðÿæåíèÿõ è îáåñïå÷èâàþùåå ñòàöèîíàðíûé ðåæèì ðàáîòû ãåíåðàòîðà ïðè âûõîäíûõ íàïðÿæåíèÿõ, äàëåêèõ îò ïîëíîãî èñïîëüçîâàíèÿ íàïðÿæåíèÿ ïèòàíèÿ. Ðàññìîòðèì ýòî ïîäðîáíåå. Àâòîìàòè÷åñêîå ñìåùåíèå â ãåíåðàòîðå (ðèñ. 7.6) ñîçäàåòñÿ ñëåäóþùèì îáðàçîì. Ïðè ìàëûõ àìïëèòóäàõ êîëåáàíèÿ íàïðÿæåíèå, ïåðåäàâàåìîå ñ ïîìîùüþ LÑÂ, ìàëî. Îíî ñóùåñòâåííî ìåíüøå íàïðÿæåíèÿ ñìåùåíèÿ, ñîçäàâàåìîãî äåëèòåëåì R1, R2, è òðàíçèñòîð VT îòêðûò â ëþáîé ìîìåíò âðåìåíè.  ýòîì ñëó÷àå íàïðÿæåíèå íà ÑÇ îïðåäåëÿåòñÿ òîëüêî òîêîì íà÷àëüíîãî ñìåùåíèÿ, ïðîòåêàþùèì ÷åðåç RÇ, âêëþ÷åííîì ïàðàëëåëüíî ýòîìó êîíäåíñàòîðó. Ïðè ýòîì íà ñêîëüêî êîíäåíñàòîð ÑÇ çàðÿäèòñÿ ïðè âîçäåéñòâèè îäíîé ïîëóâîëíû íàïðÿæåíèÿ, äåéñòâóþùåãî íà LÑÂ, íà ñòîëüêî æå îí ðàçðÿäèòñÿ ïðè äðóãîé ïîëóâîëíå. Ïî ìåðå âîçðàñòàíèÿ àìïëèòóäû êîëåáàíèÿ ïîëîæåíèå ìåíÿåòñÿ. Åñëè àìïëèòóäà íàïðÿæåíèÿ íà LÑ ñòàíåò áëèçêîé ê íàïðÿæåíèþ çàïèðàíèÿ òðàíçèñòîðà, òî ðåæèì ðàáîòû VT áóäåò äðóãîé. Âî âðåìÿ ïîëîæèòåëüíîé ïîëóâîëíû íàïðÿæåíèÿ òðàíçèñòîð áóäåò îòêðûò è íàñûùåí.  ýòîì ñëó÷àå òîê,
ÃËÀÂÀ 7. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÀÂÒÎÃÅÍÅÐÀÒÎÐÛ
175
ïðîòåêàþùèé ïî öåïè, âêëþ÷àþùåé êàòóøêó LÑÂ, áàçà-ýìèòòåðíûé ïåðåõîä VT, ïàðàëëåëüíî ñîåäèíåííûå ìåæäó ñîáîé R1, Ñ1 è RÇ, ÑÇ, çàðÿæàåò êîíäåíñàòîð ÑÇ ñ ïîëÿðíîñòüþ, ïîêàçàííîé íà ðèñ. 7.6.  äðóãóþ ïîëóâîëíó êîëåáàíèÿ ðåçóëüòèðóþùàÿ ñóììà íàïðÿæåíèé íà R1, Ñ1; RÇ, ÑÇ, è LÑ ñòàíåò ìåíüøå ïîðîãà îòêðûâàíèÿ VT, è òðàíçèñòîð çàêðîåòñÿ. Òåïåðü êîíäåíñàòîð ÑÇ áóäåò ðàçðÿæàòüñÿ ëèøü ÷åðåç RÇ. Ýòî çíà÷èòåëüíî óìåíüøèò ñêîðîñòü åãî ðàçðÿäà è íå ïîçâîëèò ïîëíîñòüþ êîìïåíñèðîâàòü íàêîïëåííûé çàðÿä. Çàïèðàþùåå íàïðÿæåíèå íà ÑÇ íà÷íåò óâåëè÷èâàòüñÿ, êîìïåíñèðóÿ íà÷àëüíîå ñìåùåíèå è ïåðåâîäÿ ðàáî÷óþ òî÷êó òðàíçèñòîðà ñíà÷àëà íà íåëèíåéíûé ó÷àñòîê åãî âõîäíîé õàðàêòåðèñòèêè, à çàòåì â îáëàñòü çàïèðàíèÿ òðàíçèñòîðà. Êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ êàñêàäà óìåíüøàåòñÿ, ÷òî ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ íà ãðàôèêå çàâèñèìîñòè K = f (UÂÕ) óñèëèòåëÿ ïàäàþùåãî ó÷àñòêà ïðè àìïëèòóäàõ âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ åùå íå âûçûâàþùèõ íàñûùåíèå òðàíçèñòîðà, à çíà÷èò, îòñå÷êà íà ôîðìèðóåìîì êîëåáàíèè áóäåò îòñóòñòâîâàòü. Öåïü îáðàòíîé ñâÿçè ãåíåðàòîðà (ðèñ. 7.6) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé òðàíñôîðìàòîð, ïåðâè÷íîé îáìîòêîé êîòîðîãî ñëóæèò êàòóøêà LÊ, à âòîðè÷íîé èíäóêòèâíî ñâÿçàííàÿ ñ íåé êàòóøêà LÑ (Ì êîýôôèöèåíò âçàèìíîé èíäóêöèè êàòóøåê). Êàê óêàçûâàëîñü âûøå, ñäâèã ôàçû ìåæäó âûõîäíûì è âõîäíûì íàïðÿæåíèÿìè óñèëèòåëüíîãî êàñêàäà, ñîáðàííîãî ïî ñõåìå ñ îáùèì ýìèòòåðîì, ñîñòàâëÿåò 180°. Ïîýòîìó äëÿ âûïîëíåíèÿ áàëàíñà ôàç öåïü îáðàòíîé ñâÿçè äîëæíà âíîñèòü ñäâèã ôàçû åùå íà 180°. Ýòî äîñòèãàåòñÿ ñîîòâåòñòâóþùåé ôàçèðîâêîé êàòóøåê òðàíñôîðìàòîðà (äëÿ îïðåäåëåííîñòè íà ðèñ. 7.6 îêîëî èõ âûâîäîâ ïîñòàâëåíû çíàêè ìãíîâåííîé ïîëÿðíîñòè íàïðÿæåíèé). Ïðè ðàññìîòðåíèè óñëîâèé ñàìîâîçáóæäåíèÿ ó÷èòûâàåòñÿ, ÷òî â ïðîñòåéøåì ñëó÷àå ÷àñòîòà âîçíèêàþùèõ êîëåáàíèé áóäåò ñîâïàäàòü ñ ñîáñòâåííîé ÷àñòîòîé êîíòóðà, à êîýôôèöèåíòû ïåðåäà÷è ìîãóò áûòü íàéäåíû ïî ñëåäóþùèì ôîðìóëàì: äëÿ óñèëèòåëÿ K = h21ÝRKP/h11Ý, äëÿ öåïè îáðàòíîé ñâÿçè bÑ = UÂÛÕ ÎÑ/UÂÛÕ = M/LÊ, ãäå h21Ý êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è ïî òîêó, à h11Ý âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå òðàíçèñòîðà, âêëþ÷åííîãî ïî ñõåìå ñ ÎÝ; RÊP = rQ ñîïðîòèâëåíèå êîíòóðà íà ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòå w0. Ïîýòîìó êîëåáàíèÿ âîçíèêíóò, êîãäà KbÑ = h21ÝQw0M/h11Ý ³ 1.
176
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Íàðèñóéòå ïðèíöèïèàëüíóþ ñõåìó òðàíñôîðìàòîðíîãî àâòîãåíåðàòîðà ãàðìîíè÷åñêèõ êîëåáàíèé. Ðàññêàæèòå î íàçíà÷åíèè âñåõ åãî ýëåìåíòîâ. 2. Ðàññêàæèòå, êàê â ýòîì àâòîãåíåðàòîðå âûïîëíÿåòñÿ áàëàíñ ôàç. 3. Îáúÿñíèòå, êàê â íåì îáåñïå÷èâàåòñÿ óìåíüøåíèå êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ ïðè óâåëè÷åíèè àìïëèòóäû âõîäíîãî ñèãíàëà. 7.1.5. ÒÐÅÕÒÎ×Å×ÍÛÉ ÃÅÍÅÐÀÒÎÐ ÃÀÐÌÎÍÈ×ÅÑÊÈÕ ÊÎËÅÁÀÍÈÉ
 íåêîòîðûõ ãåíåðàòîðàõ â êà÷åñòâå öåïè îáðàòíîé ñâÿçè èñïîëüçóåòñÿ âåòâü ïàðàëëåëüíîãî êîëåáàòåëüíîãî êîíòóðà, ñîñòîÿùàÿ èç ïîñëåäîâàòåëüíî ñîåäèíåííûõ êîíäåíñàòîðà è êàòóøêè èíäóêòèâíîñòè. Åñëè äðóãàÿ åãî âåòâü ñîäåðæèò òîëüêî êàòóøêó èíäóêòèâíîñòè, òî ãîâîðÿò îá èíäóêòèâíîé òðåõòî÷êå, à åñëè êîíäåíñàòîð, òî îá åìêîñòíîé.  òàêèõ àâòîãåíåðàòîðàõ óñèëèòåëüíûé ýëåìåíò îêàçûâàåòñÿ ïîäêëþ÷åííûì ê òðåì òî÷êàì êîëåáàòåëüíîãî êîíòóðà, ïîýòîìó îíè íàçûâàþòñÿ òðåõòî÷å÷íûìè. Îäíà èç ñõåì òàêîãî ãåíåðàòîðà ïðèâåäåíà íà ðèñ. 7.7.  íåì óñèëèòåëü ñîáðàí íà òðàíçèñòîðå VT, âêëþ÷åííîì ïî ñõåìå ñ ÎÝ. Åãî ïîëåçíîé íàãðóçêîé ñëóæèò êîëåáàòåëüíûé êîíòóð (C1, C2, LÊ). Êàê è â ãåíåðàòîðå ãàðìîíè÷åñêèõ êîëåáàíèé ñ òðàíñôîðìàòîðíîé îáðàòíîé ñâÿçüþ, çäåñü âíåøíÿÿ íàãðóçêà ìîæåò áûòü ïîäêëþ÷åíà ëèáî òðàäèöèîííûì ñïîñîáîì ÷åðåç ðàçäåëèòåëüíûé êîíäåíñàòîð ê âûõîäó óñèëèòåëÿ (ìåæäó êîëëåêòîðîì è ýìèòòåðîì VT), ëèáî ñ ïîìîùüþ äîïîëíèòåëüíîé êàòóøêè ñâÿçè, ðàçìåùåííîé ñ LÊ íà îáùåì ñåðäå÷íèêå. Ðåçèñòîð RÊ îáåñïå÷èâàåò ïîäà÷ó íà òðàíçèñòîð íàïðÿæåíèÿ ïèòàíèÿ è ïðåäîòâðàùàåò çàìûêàíèå ïî ïåðåìåííîìó òîêó êîíäåíñàòîðà Ñ2. Êîíäåíñàòîð ÑÐ ðàçäåëèòåëüíûé, îí ïðåïÿòñòâóåò ïåðåäà÷å ïîñòîÿííîãî íàïðÿæåíèÿ èç êîëëåêòîðíîé öåïè â öåïü áàçû. Ðåçèñòîð R1 ñîçäàåò íà÷àëüíîå ñìåùåíèå, ïåðåâîäÿ àâòîãåíåðàòîð èç æåñòêîãî ðåæèìà ñàìîâîçáóæäåíèÿ â ìÿãêèé. Ðèñ. 7.7
ÃËÀÂÀ 7. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÀÂÒÎÃÅÍÅÐÀÒÎÐÛ
à
177
á
Ðèñ. 7.8
Äëÿ óïðîùåíèÿ ðàññìîòðåíèÿ ðàáîòû àâòîãåíåðàòîðà çàìåíèì åãî ïðèíöèïèàëüíóþ ñõåìó ýêâèâàëåíòíîé, ñïðàâåäëèâîé äëÿ ïåðåìåííîãî òîêà (ðèñ. 7.8,à).  íåé ìåæäó êîëëåêòîðîì è ýìèòòåðîì òðàíçèñòîðà âêëþ÷åí êîíäåíñàòîð Ñ1, à ïàðàëëåëüíî åìó öåïü, ñîñòîÿùàÿ èç ïîñëåäîâàòåëüíî ñîåäèíåííûõ êàòóøêè èíäóêòèâíîñòè LÊ è Ñ2, îáðàçóþùèõ ñîâìåñòíî ñ Ñ1 êîëåáàòåëüíûé êîíòóð. Ðàçäåëèòåëüíûé êîíäåíñàòîð ÑÐ äëÿ ãåíåðèðóåìîãî êîëåáàíèÿ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé êîðîòêîå çàìûêàíèå, ïîýòîìó íà ýêâèâàëåíòíîé ñõåìå îí îïóùåí, è òî÷êà ñîåäèíåíèÿ LÊ è Ñ2 ïîäêëþ÷åíà ê áàçå òðàíçèñòîðà íåïîñðåäñòâåííî. Âëèÿíèåì R1, ïîäêëþ÷åííîãî ê áàçå VT, ìîæíî ïðåíåáðå÷ü, òàê êàê îí, çàäàâàÿ íà÷àëüíûé ðåæèì òðàíçèñòîðà, íå âëèÿåò íà ôîðìèðóåìîå êîëåáàíèå. Ïðè ðàññìîòðåíèè ðàáîòû ãåíåðàòîðà ñ÷èòàåì, ÷òî íàïðÿæåíèå åãî èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ EÏ ïîñòîÿííî ïðè ëþáîé âåëè÷èíå ïðîòåêàþùåãî ÷åðåç èñòî÷íèê òîêà.  ýòîì ñëó÷àå èçìåíåíèå íàïðÿæåíèÿ DEÏ ® 0 è âíóòðåííå äèôôåðåíöèàëüíîå ñîïðîòèâëåíèå èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ rE = DÅÏ/DIÏ = 0 ïðè ëþáîì èçìåíåíèè òîêà. Òàêèì îáðàçîì, äëÿ ïåðåìåííîé ñîñòàâëÿþùåé èñòî÷íèê ïèòàíèÿ ïðåäñòàâëÿåò êîðîòêîå çàìûêàíèå. Ñëåäîâàòåëüíî, ðåçèñòîð RÊ îêàçûâàåòñÿ ïîäêëþ÷åííûì ïàðàëëåëüíî êîíäåíñàòîðó Ñ2. Ó÷èòûâàÿ, ÷òî ñîïðîòèâëåíèå ðåçèñòîðà RÊ çíà÷èòåëüíî (äåñÿòêè êèëîîì) è ñëàáî ñêàçûâàåòñÿ íà äîáðîòíîñòè êîíòóðà âëèÿíèåì RÊ ìîæíî ïðåíåáðå÷ü, ïîýòîìó íà ðèñ. 7.8,à îí èçîáðàæåí øòðèõàìè. Èç ðàññìîòðåíèÿ ýêâèâàëåíòíîé ñõåìû àâòîãåíåðàòîðà (ðèñ. 7.8,à) âèäíî, ÷òî êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è óñèëèòåëÿ äîñòèãàåò ìàêñèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ íà ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòå êîíòóðà (w0) è, êàê è ðàíüøå, ìîæåò áûòü íàéäåí ïî ôîðìóëå K = h21ÝRÊÐ/h11Ý, ãäå RÊP = rQ ñîïðîòèâëåíèå êîíòóðà ìåæäó òî÷êàìè ïîäêëþ÷åíèÿ Ñ1 íà ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòå w0. Öåïü
178
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
îáðàòíîé ñâÿçè ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé äåëèòåëü, îäíî ïëå÷î êîòîðîãî îáðàçîâàíî êîíäåíñàòîðîì Ñ2, à âòîðîå êàòóøêîé LÊ. Åãî êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è ðàññ÷èòûâàåòñÿ ïî ôîðìóëå: bÑ = = jÕÑ2/(jÕLÊ jÕÑ2), ãäå ÕÑ2 = 1/w0Ñ2, à ÕLÊ = w0LÊ. Îäíàêî ÷àñòî ïðè ïðàêòè÷åñêèõ ðàñ÷åòàõ âåëè÷èíà èíäóêòèâíîñòè êàòóøêè LK íåèçâåñòíà, è â ýòîì ñëó÷àå ìîæíî âîñïîëüçîâàòüñÿ äðóãîé, ýêâèâàëåíòíîé, ôîðìóëîé. Äåéñòâèòåëüíî, â êîëåáàòåëüíîì êîíòóðå íà ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòå ñîïðîòèâëåíèÿ åãî âåòâåé (Ñ1 è LÊ, C2) è òîêè â íèõ îäèíàêîâû. Ïîýòîìó íàïðÿæåíèå íà âõîäå öåïè îáðàòíîé ñâÿçè, ðàâíîå íàïðÿæåíèþ íà êîíòóðå, ìîæåò áûòü íàéäåíî êàê íàïðÿæåíèå íà öåïè, ñîäåðæàùåé êîíäåíñàòîð Ñ1, òî åñòü ïî ôîðìóëå: UÂÕ ÎÑ = UÂÛÕ = IC1/jw0C1, ãäå IC1 òîê, ïðîòåêàþùèé ÷åðåç Ñ1. Íàïðÿæåíèå íà âûõîäå öåïè îáðàòíîé ñâÿçè, òî åñòü íà êîíäåíñàòîðå Ñ2, ðàâíî UÂÛÕ ÎÑ = ILÊ/jw0C2, ãäå ILÊ òîê, ïðîòåêàþùèé ÷åðåç LÊ. Íà ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòå IC1 è ILÊ ðàâíû ïî âåëè÷èíå è ïðîòèâîïîëîæíû ïî çíàêó, òîãäà ìîäóëü êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è öåïè îáðàòíîé ñâÿçè ìîæåò áûòü íàéäåí ïî ôîðìóëå bÑ = Ñ1/Ñ2. Åñëè åãî âåëè÷èíà áîëüøå 1/K, òî â òàêîì àâòîãåíåðàòîðå âîçíèêàþò êîëåáàíèÿ. Ðàññìîòðèì âûïîëíåíèå â àâòîãåíåðàòîðå áàëàíñà ôàç, âîñïîëüçîâàâøèñü äëÿ ýòîãî ñîñòàâëåííîé ýêâèâàëåíòíîé ñõåìîé (ðèñ. 7.8,à). Íàéäåì ñäâèã ôàç ìåæäó âûõîäíûì è âõîäíûì íàïðÿæåíèÿìè öåïè îáðàòíîé ñâÿçè, èñïîëüçóÿ âåêòîðíóþ äèàãðàììó. Îäíà èç âåòâåé êîíòóðà ñîñòîèò èç êîíäåíñàòîðà Ñ1. Êàê èçâåñòíî, ðåçîíàíñ íàñòóïàåò, åñëè âåòâè êîíòóðà èìåþò ïðîòèâîïîëîæíûé õàðàêòåð ðåàêòèâíîñòè. Òîãäà âåòâü, ñîñòîÿùàÿ èç ïîñëåäîâàòåëüíî ñîåäèíåííûõ LÊ è Ñ2, äîëæíà áûòü çàìåíåíà ýêâèâàëåíòíîé êàòóøêîé èíäóêòèâíîñòè LÊÝ (ñì. ðèñ. 7.8,à). Ïðè ïîñòðîåíèè âåêòîðíîé äèàãðàììû â êà÷åñòâå áàçîâîãî âûáåðåì âåêòîð âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ óñèëèòåëÿ UÂÛÕ (ðèñ. 7.8,á). Âåêòîð òîêà ILÊ, ïðîòåêàþùåãî ÷åðåç LÊÝ, îòñòàåò îò áàçîâîãî âåêòîðà (UÂÛÕ) íà óãîë, ðàâíûé 90°. Ýòîò òîê ïðîòåêàåò îäíîâðåìåííî ÷åðåç LÊ è êîíäåíñàòîð Ñ2, íàïðÿæåíèå íà êîòîðîì òàêæå îòñòàåò ïî ôàçå îò ILÊ åùå íà 90°. Ñëåäîâàòåëüíî, ñäâèã ôàçû ìåæäó UÂÛÕ ÎÑ è UÂÛÕ, âûõîäíûì è âõîäíûì íàïðÿæåíèåì öåïè îáðàòíîé ñâÿçè ñîñòàâëÿåò 180°. Êàê óæå óêàçûâàëîñü, òðàíçèñòîð óñèëèòåëÿ âêëþ÷åí ïî ñõåìå ñ ÎÝ, ÷òî ñîçäàåò ñäâèã ôàç ìåæäó åãî âûõîäíûì è âõîäíûì íàïðÿæåíèÿìè òàêæå ðàâíûé 180°. Òàêèì îáðàçîì, ñóììàðíûé ñäâèã ôàç â ïåòëå îáðàòíîé ñâÿçè ñîñòàâèò 360°.
ÃËÀÂÀ 7. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÀÂÒÎÃÅÍÅÐÀÒÎÐÛ
179
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Íàðèñóéòå ïðèíöèïèàëüíóþ ñõåìó òðåõòî÷å÷íîãî àâòîãåíåðàòîðà è óêàæèòå íàçíà÷åíèå åãî ýëåìåíòîâ. 2. Íàðèñóéòå è îáîñíóéòå åãî ýêâèâàëåíòíóþ ñõåìó. 3. Îáîñíóéòå ñ ïîìîùüþ âåêòîðíîé äèàãðàììû âûïîëíåíèå â òðåõòî÷å÷íîì àâòîãåíåðàòîðå áàëàíñà ôàç. 7.1.6. RC-ÃÅÍÅÐÀÒÎÐÛ ÃÀÐÌÎÍÈ×ÅÑÊÈÕ ÊÎËÅÁÀÍÈÉ
Íåäîñòàòêîì ãåíåðàòîðîâ ãàðìîíè÷åñêèõ êîëåáàíèé ñ èñïîëüçîâàíèåì ðåçîíàíñíûõ óñèëèòåëåé ÿâëÿåòñÿ íåîáõîäèìîñòü ïðèìåíåíèÿ â íèõ êîëåáàòåëüíûõ êîíòóðîâ, êàòóøêè èíäóêòèâíîñòè êîòîðûõ â ñëó÷àå íèçêî÷àñòîòíîãî äèàïàçîíà îêàçûâàþòñÿ ãðîìîçäêèìè. Ýòî çàòðóäíÿåò ìèêðîìèíèàòþðèçàöèþ àïïàðàòóðû. Ïîýòîìó àêòóàëüíûì ÿâëÿåòñÿ ñîçäàíèå ãåíåðàòîðîâ, íå èìåþùèõ êàòóøåê èíäóêòèâíîñòè. Îäíèì èç èõ âàðèàíòîâ ÿâëÿþòñÿ RC-ãåíåðàòîðû.  íèõ ôèëüòðàöèÿ êîëåáàíèé è ñäâèã ôàç ìåæäó âûõîäíûì è âõîäíûì íàïðÿæåíèÿìè öåïè îáðàòíîé ñâÿçè ñîçäàåòñÿ ïðè ïîìîùè RC-ÿ÷ååê. Ñóùåñòâóåò íåñêîëüêî ðàçíîâèäíîñòåé òàêèõ ãåíåðàòîðîâ, îäíà èç êîòîðûõ ïðèâåäåíà íà ðèñ. 7.9. Íà ðèñ. 7.9,à ïðèâåäåíà ôóíêöèîíàëüíàÿ, à íà ðèñ. 7.9,á ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìû ãåíåðàòîðà ñ íàáîðîì RC-ÿ÷ååê â öåïè îáðàòíîé ñâÿçè. Çäåñü, êàê è îáû÷íî, âíåøíÿÿ íàãðóçêà ìîæåò áûòü ïîäêëþ÷åíà ê ãåíåðàòîðó ÷åðåç äîïîëíèòåëüíûé ðàçäåëèòåëüíûé êîíäåíñàòîð, ïîäñîåäèíåííûé ê âûõîäó óñèëèòåëÿ (ìåæäó êîëëåêòîðîì è ýìèòòåðîì VT). Êàê èçâåñòíî, ïðè ïîñëåäîâàòåëüíî ñîåäèíåííûõ ðåçèñòîðå è êîíäåíñàòîðå ñäâèã ôàç, âîçíèêàþùèé ìåæäó íàïðÿæåíèåì íà ëþáîì èç íèõ è ñóììàðíîì íàïðÿæåíèè, äåéñòâóþùåì íà âõîäå òàêîé öåïè, ìîæåò èçìåíÿòüñÿ îò 0 äî 90°. Çíà÷èò, äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ñäâèãà à
á
Ðèñ. 7.9
180
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
ôàç 180° äîñòàòî÷íî èñïîëüçîâàòü äâå òàêèå ÿ÷åéêè. Îäíàêî â ýòîì ñëó÷àå êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è öåïè áóäåò ñòðåìèòüñÿ ê íóëþ, ÷òî â àâòîãåíåðàòîðàõ çàòðóäíèò âûïîëíåíèå áàëàíñà àìïëèòóä. Ïîýòîìó êîìïðîìèññíûì ñ÷èòàåòñÿ èñïîëüçîâàíèå òðåõ RC-ÿ÷ååê, ñäâèã ôàçû â êàæäîé èç êîòîðûõ âûáèðàþò áëèçêèì ê 60°, òîãäà ñóììàðíûé ñäâèã ôàç ñîñòàâèò 180°. Åñëè, êàê è ðàíüøå, â êà÷åñòâå óñèëèòåëÿ èñïîëüçîâàòü êàñêàä, ñîçäàþùèé ñäâèã ôàç 180°, òî îáùèé ñäâèã ôàç ñîñòàâèò 360° è áàëàíñ ôàç áóäåò âûïîëíåí. Íàéäåì âåëè÷èíó êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è öåïè îáðàòíîé ñâÿçè òàêîãî ãåíåðàòîðà. Ïðè ýòîì îòìåòèì, ÷òî öåïü îáðàòíîé ñâÿçè ñîñòîèò èç òðåõ êîíòóðîâ, â ïåðâûé èç êîòîðûõ âõîäÿò êîíäåíñàòîð Ñ1, ðåçèñòîð R1, è ê íåìó ïðèëîæåíî íàïðÿæåíèå UÂÛÕ. Âòîðîé êîíòóð ñîñòîèò èç ðåçèñòîðîâ R1, R2 è êîíäåíñàòîðà Ñ2. Òðåòèé êîíòóð âêëþ÷àåò â ñåáÿ ðåçèñòîðû R2, R3 è êîíäåíñàòîð Ñ3. Äëÿ êàæäîãî èç êîíòóðîâ ñîñòàâèì ñèñòåìó óðàâíåíèé, ñ÷èòàÿ, ÷òî íàïðàâëåíèå îáõîäà êîíòóðà ñîâïàäàåò ñ åãî òîêîì (ñîîòâåòñòâåííî ñ I1, I2 è I3). Íàïîìíèì, ÷òî ñóììà íàïðÿæåíèé, äåéñòâóþùèõ íà ýëåìåíòàõ êîíòóðà, äîëæíà áûòü ðàâíà ñóììå ÝÄÑ, âêëþ÷åííûõ â êîíòóð. Åñëè íàïðàâëåíèÿ îáõîäà êîíòóðà è òîêà ÷åðåç åãî ýëåìåíò ñîâïàäàþò, òî ñëàãàåìûå ñóììèðóþòñÿ, â ïðîòèâíîì ñëó÷àå âû÷èòàþòñÿ. Òîãäà ïîëó÷àþùàÿñÿ ñèñòåìà óðàâíåíèé áóäåò èìåòü âèä:
12 1 3 97 4 5 4 11 8 2 1 5 11 2 2 6 3 345 7 1 9 9 2 1 3 4 12 4 11 8 2 2 5 12 2 6 6 87
5 11 2 1 4 7
4 5 2 9 9 2 1 3 4 16 4 12 8 2 6 6 89 95 12 2 2 4 7 4 5
6 Îáîçíà÷èì ÕÑ = 1/wC è ïðèìåì, ÷òî Ñ1 = Ñ2 = Ñ3 = Ñ è R1 = = R2 = R3 = R. Åñëè ïðèâåäåííóþ ñèñòåìó ðåøèòü îòíîñèòåëüíî I3, ïîëó÷èì: 1 234 2 1 35 1 2 5 6 2 2 724 1 3 58 4 5 2 92 1 4
Òîãäà êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è öåïè îáðàòíîé ñâÿçè:
13 2
1 12 21 23 1 7 2 3 456 2 3 824 4 59 4 1 3 2 2 4
181
ÃËÀÂÀ 7. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÀÂÒÎÃÅÍÅÐÀÒÎÐÛ
à
á
â
Ðèñ. 7.10
Íà ÷àñòîòå ãåíåðàöèè w = wà ñäâèã ôàç äîëæåí ñîñòàâëÿòü 180°, à çíà÷èò, ìíèìóþ ÷àñòü ýòîãî âûðàæåíèÿ íóæíî ïðèðàâíÿòü íóëþ: Õ3 6R2Õ = 0. Òîãäà ïîëó÷èì 11 2 23 412 5 à ìîäóëü êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è bÑ = 1/29. Ñëåäîâàòåëüíî, òðåáóåìûé êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ óñèëèòåëÿ K ³ 29. Íà ðèñ. 7.10,à ïðèâåäåíà åùå îäíà ñõåìà RC-ãåíåðàòîðà.  íåì óñèëèòåëü Ê íåèíâåðòèðóþùèé, òî åñòü ñäâèã ôàç ìåæäó åãî âûõîäíûì è âõîäíûì íàïðÿæåíèÿìè ðàâåí íóëþ (íà ðèñ. 7.10,à ýòî ïîêàçàíî çíàêîì «+»). Òîãäà öåïü îáðàòíîé ñâÿçè, ñîñòîÿùàÿ èç R1, C1, R2, C2, íà îäíîé èç ÷àñòîò òàêæå äîëæíà îáåñïå÷èâàòü ñäâèã ôàç, ðàâíûé íóëþ. Åñëè íà ýòîé ÷àñòîòå âûïîëíÿåòñÿ è áàëàíñ àìïëèòóä, òî â óñòðîéñòâå âîçíèêàþò íåçàòóõàþùèå êîëåáàíèÿ. Íàéäåì ÷àñòîòó ãåíåðàöèè. Îáîçíà÷èì ÷åðåç Z2 è Z1 êîìïëåêñíûå ñîïðîòèâëåíèÿ âåòâåé, ñîñòîÿùèõ ñîîòâåòñòâåííî èç ïàðàëëåëüíî ñîåäèíåííûõ R2C2 è ïîñëåäîâàòåëüíî âêëþ÷åííûõ R1C1. Òîãäà êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è öåïè îáðàòíîé ñâÿçè: 11 4 23 31 11 41 11 4 34 2331 3 4 2331 11 52 6 6 6 6 11 4 2331 11 43 4 4 1 13 4 3 4 13 4 3 4 23 33 3 4 23 31 11 2333 11 4 34 23 31 3 5 6 13 31 34 4 4 2 1 331 13 7 34 3 3311 2 11 33 Äëÿ îáåñïå÷åíèÿ íóëåâîãî ñäâèãà ôàçû íåîáõîäèìî íàéòè ÷àñòîòó ãåíåðàöèè wÃ, íà êîòîðîé ìíèìàÿ ÷àñòü çíàìåíàòåëÿ áóäåò ðàâíà íóëþ, òî åñòü wÃÑ2R1 1/wÃÑ1R2 = 0. Åãî ðåøåíèå äàåò 11 2 24 1222 1323 5 Åñëè ïðèíÿòü R1 = R2, Ñ1 = Ñ2, òî wà = 1/RC. Íà ýòîé ÷àñòîòå ìîäóëü êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è öåïè îáðàòíîé ñâÿçè bÑ = 1/3. Ñëåäîâàòåëüíî, äëÿ ñóùåñòâîâàíèÿ àâòîêîëåáàíèé óñèëèòåëü äîëæåí èìåòü êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è K ³ 3.
182
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
Ïðèâåäåííûå âûøå ñîîòíîøåíèÿ ìîãóò áûòü ïîëó÷åíû íà îñíîâàíèè âåêòîðíîé äèàãðàììû, ïîêàçûâàþùåé óñëîâèÿ îòñóòñòâèÿ ñäâèãà ôàç ìåæäó âõîäíûì è âûõîäíûì íàïðÿæåíèÿìè â öåïè îáðàòíîé ñâÿçè. Ïðè åå ïîñòðîåíèè â êà÷åñòâå áàçîâîãî âûáåðåì âûõîäíîå íàïðÿæåíèå öåïè îáðàòíîé ñâÿçè UR2Ñ2 íà ïàðàëëåëüíî ñîåäèíåííûõ R2 è Ñ2. Òîê, ïðîòåêàþùèé ÷åðåç ðåçèñòîð R2, ñîâïàäàåò ïî ôàçå ñ ýòèì íàïðÿæåíèåì (òî åñòü ïîéäåò ïî òîìó æå âåêòîðó), à òîê ÷åðåç êîíäåíñàòîð Ñ2 îïåðåæàåò UR2Ñ2 íà óãîë, ðàâíûé 90° (ðèñ. 7.10,á). Îáà ýòè òîêà (IR2 è IÑ2) îáðàçóþò îáùèé òîê, ïðîòåêàþùèé ÷åðåç R1 è Ñ1, IR1. Âîçíèêàþùèé ïðè ýòîì ñäâèã ôàç ìåæäó íàïðÿæåíèåì UR2Ñ2 è îáùèì òîêîì (IR1) îáîçíà÷èì ÷åðåç j1. Íàïðÿæåíèå, ñîçäàííîå íà ðåçèñòîðå R1, ñîâïàäàåò ïî ôàçå ñ IR1, à íàïðÿæåíèå íà Ñ1 îòñòàåò îò íåãî íà óãîë, ðàâíûé 90°. Îáîçíà÷èì ðåçóëüòèðóþùèé âåêòîð ñóììû ýòèõ íàïðÿæåíèé UR1Ñ1, à ñäâèã ôàç ìåæäó IR1 è UR1Ñ1 ÷åðåç j2. Åñëè ñäâèã ôàçû â öåïè îáðàòíîé ñâÿçè ìåæäó âõîäíûì (ðàâíûì UR1Ñ1 + UR2Ñ2) è âûõîäíûì (UR2Ñ2) íàïðÿæåíèÿìè áóäåò ðàâåí íóëþ, òî âåêòîðû UR1Ñ1 è UR2Ñ2 ñîâïàäóò è áóäóò íàïðàâëåíû â îäíó ñòîðîíó, òî åñòü j1 = j2. Ó÷èòûâàÿ, ÷òî j1 = arcctg(IÑ2/IR2) = = arcctg(wÑ2/(1/R2)), à j2 = arcctg(UÑ1/UR1) = arcctg((1/wÑ1)/R1), ïîëó÷àåì, ÷òî íà ÷àñòîòå ãåíåðàöèè 1/wÃÑ1R1 = wÃÑ2R2. Âåêòîðíàÿ äèàãðàììà â ýòîì ñëó÷àå ïðèìåò âèä, ïîêàçàííûé íà ðèñ. 7.10,â, à ÷àñòîòà ãåíåðàöèè îïðåäåëÿåòñÿ ïî ôîðìóëå 11 2 24 1222 1323 5 ñîâïàäàþùåé ñ ïîëó÷åííîé ðàíåå. Îäèí èç âàðèàíòîâ ñõåìû ãåíåðàòîðà, ïîñòðîåííîãî ïî òàêîìó ïðèíöèïó, ïðèâåäåí íà ðèñ. 7.11. Ðèñ. 7.11 Çäåñü óñèëèòåëü ðåàëèçîâàí íà áàçå ÎÓ, ðåçèñòîðû R3R6 îïðåäåëÿþò åãî êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ. Äëÿ ñíèæåíèÿ óñèëåíèÿ ïðè óâåëè÷åíèè àìïëèòóäû âõîäíîãî ñèãíàëà (ïðàâûé ñêëîí õàðàêòåðèñòèêè ðèñ. 7.5) ïàðàëëåëüíî ðåçèñòîðó R6 âêëþ÷åíû âñòðå÷íî ñòàáèëèòðîíû VD1 è VD2. Êîãäà íàïðÿæåíèå íà íèõ ïðåâûøàåò
ÃËÀÂÀ 7. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÀÂÒÎÃÅÍÅÐÀÒÎÐÛ
183
âåëè÷èíó, ðàâíóþ ñóììå íàïðÿæåíèÿ ñòàáèëèçàöèè äëÿ îäíîãî äèîäà è ïîðîãà îòêðûâàíèÿ äëÿ äðóãîãî, ÷àñòü òîêà öåïè îáðàòíîé ñâÿçè íà÷èíàåò ïðîòåêàòü ÷åðåç VD1 è VD2, ïðè ýòîì êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è óñèëèòåëÿ óìåíüøàåòñÿ, ñòðåìÿñü ê K = 1 + (R4 + R5)/R3. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Íàðèñóéòå ôóíêöèîíàëüíóþ ñõåìó è óêàæèòå íàçíà÷åíèå ýëåìåíòîâ RÑ-ãåíåðàòîðà, öåïü îáðàòíîé ñâÿçè êîòîðîãî îáåñïå÷èâàåò ñäâèã ôàç 180°. 2. Ïðè êàêèõ óñëîâèÿõ â íåì âûïîëíÿþòñÿ áàëàíñû àìïëèòóä è ôàç? 3. Íàðèñóéòå ôóíêöèîíàëüíóþ ñõåìó è ðàññêàæèòå î íàçíà÷åíèè ýëåìåíòîâ RÑ-ãåíåðàòîðà, ÷àñòîòíî-çàâèñèìàÿ öåïü îáðàòíîé ñâÿçè êîòîðîãî íå âíîñèò ñäâèãà ôàç. 4. Ïîñòðîéòå âåêòîðíóþ äèàãðàììó, ïîêàçûâàþùóþ îòñóòñòâèå ñäâèãà ôàç â öåïè îáðàòíîé ñâÿçè.
7.2. ÈÌÏÓËÜÑÍÛÅ ÃÅÍÅÐÀÒÎÐÛ Èìïóëüñíûìè ãåíåðàòîðàìè íàçûâàþòñÿ óñòðîéñòâà ôîðìèðîâàíèÿ íåãàðìîíè÷åñêèõ êîëåáàíèé. Èõ ôîðìà ìîæåò áûòü ëþáîé: ïðÿìîóãîëüíîé, òðåóãîëüíîé, ïèëîîáðàçíîé èëè ëþáîé äðóãîé è, êàê ïðàâèëî, ïî åå âèäó ââîäÿò íàçâàíèÿ ãåíåðàòîðîâ, íàïðèìåð: ãåíåðàòîðû ïðÿìîóãîëüíûõ ñèãíàëîâ, ãåíåðàòîðû ïèëîîáðàçíûõ èìïóëüñîâ è ò. ä. Ñïåöèôè÷íîñòü ôîðìû ãåíåðèðóåìûõ êîëåáàíèé âíîñèò îñîáåííîñòè, îòëè÷àþùèå ðàáîòó èìïóëüñíûõ ãåíåðàòîðîâ îò àâòîãåíåðàòîðîâ ãàðìîíè÷åñêèõ ñèãíàëîâ. Àêòèâíûå ýëåìåíòû ïîñëåäíèõ (òðàíçèñòîðû, ýëåêòðîííûå ëàìïû) îáû÷íî ðàáîòàþò â íåïðåðûâíîì ðåæèìå, ïðè êîòîðîì âûïîëíÿþòñÿ îáà óñëîâèÿ ñàìîâîçáóæäåíèÿ áàëàíñû àìïëèòóä è ôàç. Ïðè ãåíåðèðîâàíèè ïðÿìîóãîëüíûõ êîëåáàíèé îñíîâíîå èõ ôîðìèðîâàíèå ïðîèñõîäèò, êàê ïðàâèëî, êîãäà àêòèâíûå ýëåìåíòû ãåíåðàòîðà íàõîäÿòñÿ ëèáî â çàêðûòîì, ëèáî ïîëíîñòüþ îòêðûòîì (âïëîòü äî íàñûùåíèÿ) ñîñòîÿíèè. È ëèøü ïðè ôîðìèðîâàíèè ôðîíòà è ñðåçà êîëåáàíèÿ îíè íàõîäÿòñÿ â àêòèâíîì ðåæèìå, ïðè êîòîðîì âûïîëíÿþòñÿ áàëàíñû àìïëèòóä è ôàç. Ýòî îáåñïå÷èâàåò âûñîêóþ ñêîðîñòü ïåðåõîäà àêòèâíûõ ýëåìåíòîâ èç îäíîãî ñîñòîÿíèÿ â äðóãîå, êðóòûå ôðîíò è ñðåç, à çíà÷èò, ãåíåðàöèþ ôîðìû ñèãíàëîâ, áëèçêóþ ê èäåàëüíîé.
184
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
7.2.1. ÂÐÅÌßÇÀÄÀÞÙÈÅ RC-ÖÅÏÈ
Êàê óæå îòìå÷àëîñü, â ãåíåðàòîðàõ ïðÿìîóãîëüíûõ èìïóëüñîâ ôîðìèðîâàíèå âåðøèíû è ïàóçû îñóùåñòâëÿåòñÿ àêòèâíûìè ýëåìåíòàìè, ïåðåêëþ÷åíèå êîòîðûõ èç îäíîãî ñîñòîÿíèÿ â äðóãîå ïðîèñõîäèò ñîîòâåòñòâåííî ÷åðåç âðåìÿ äëèòåëüíîñòè èìïóëüñà (tÈ) èëè ïàóçû tÏ. Î÷åíü ÷àñòî äëÿ ýòîé öåëè èñïîëüçóþò èíåðöèîííîñòü íàêîïëåíèÿ èëè óìåíüøåíèÿ çàðÿäà â ðåàêòèâíûõ ýëåìåíòàõ, îáû÷íî â êîíäåíñàòîðàõ, êîòîðûå íàçûâàþòñÿ âðåìÿçàäàþùèìè èëè õðîíèðóþùèìè. Èõ çàðÿä è ðàçðÿä îñóùåñòâëÿåòñÿ, êàê ïðàâèëî, ÷åðåç ðåçèñòîðû èëè èõ ýêâèâàëåíòû (íàïðèìåð, òðàíçèñòîðû), ïîýòîìó ðàññìîòðèì ïðîöåññû, ïðîèñõîäÿùèå â ïðîñòåéøåé RÑ-öåïè (ðèñ. 7.12,à), âîñïîëüçîâàâøèñü äëÿ ýòîãî êëàññè÷åñêèì ìåòîäîì ðàñ÷åòà ïåðåõîäíûõ ïðîöåññîâ, ðàññìîòðåííûì â ðàçäåëå 2.2. à
á
ã â
Ðèñ. 7.12
Ïðåäïîëîæèì, ÷òî â èñõîäíîì ñîñòîÿíèè êëþ÷ Êë ðàçîìêíóò, êîíäåíñàòîð Ñ ðàçðÿæåí, íàïðÿæåíèå íà íåì uÑ = 0, òîê ïî öåïè íå ïðîòåêàåò, è íàïðÿæåíèå íà ðåçèñòîðå R òàêæå îòñóòñòâóåò (uR = 0). Çàìêíåì êëþ÷ Êë, ïîäàâàÿ íà âõîä RÑ-öåïè ïîñòîÿííîå íàïðÿæåíèå ÅÇÀÐ. Ñîãëàñíî âòîðîìó çàêîíó Êèðõãîôà ñóììà íàïðÿæåíèé íà ýëåìåíòàõ îáðàçóþùåãîñÿ çäåñü êîíòóðà ðàâíà ñóììå ÝÄÑ, äåéñòâóþùèõ â íåì, òî åñòü â ëþáîé ìîìåíò âðåìåíè ÅÇÀÐ = uR(t) + uÑ(t).
(7.2)
ÃËÀÂÀ 7. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÀÂÒÎÃÅÍÅÐÀÒÎÐÛ
185
Íàïðÿæåíèå íà êîíäåíñàòîðå ìãíîâåííî èçìåíèòüñÿ íå ìîæåò, òàê êàê îíî ñâÿçàíî ñ ïðîöåññîì íàêîïëåíèÿ çàðÿäà íà åãî îáêëàäêàõ, à çíà÷èò, ñ âåëè÷èíîé è äëèòåëüíîñòüþ ïðîòåêàíèÿ òîêà ÷åðåç êîíäåíñàòîð: 1
32 1 2 2 42 314515 21
(7.3)
ãäå Ñ åìêîñòü êîíäåíñàòîðà, iÑ ìãíîâåííîå çíà÷åíèå òîêà, ïðîòåêàþùåãî ÷åðåç íåãî, t ìîìåíò âðåìåíè îòñ÷åòà íàïðÿæåíèÿ. Èíòåãðèðîâàíèåì ñóììèðóþòñÿ ïîäîøåäøèå çàðÿäû (ïîðöèè êîëè÷åñòâà ýëåêòðè÷åñòâà), à èõ îáùàÿ âåëè÷èíà, ðàâíîìåðíî óñðåäíåííàÿ ïî åìêîñòè êîíäåíñàòîðà, îïðåäåëèò çíà÷åíèå íàïðÿæåíèÿ íà íåì.  íà÷àëüíûé ìîìåíò (t = 0) uC = 0, âñå íàïðÿæåíèå ÅÇÀÐ îêàçûâàåòñÿ ïðèëîæåííûì ê ðåçèñòîðó R è ÷åðåç íåãî íà÷èíàåò ïðîòåêàòü òîê iR(t = 0) = ÅÇÀÐ/R. Ýòîò òîê ÿâëÿåòñÿ îáùèì òîêîì öåïè è òå÷åò îäíîâðåìåííî ÷åðåç êîíäåíñàòîð iR(t) = iÑ(t), ñîçäàâàÿ è óâåëè÷èâàÿ íàïðÿæåíèå íà íåì. Ñîãëàñíî (7.2) âîçðàñòàíèå uÑ(t) ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ íàïðÿæåíèÿ íà ðåçèñòîðå uR(t) = ÅÇÀÐ uC(t) (ðèñ. 7.12,ã), à çíà÷èò, óìåíüøåíèþ åãî òîêà iR(t) = uR(t)/R è çàìåäëåíèþ ïðîöåññà çàðÿäà êîíäåíñàòîðà, òî åñòü ñíèæåíèþ ñêîðîñòè óâåëè÷åíèÿ uC(t) íà ðèñ. 7.12,á. Äëÿ ÷èñëåííûõ ðàñ÷åòîâ ïåðåïèøåì (7.2) ñ ó÷åòîì ðàññìîòðåííûõ âûøå ïðîöåññîâ. Òîê, ïðîòåêàþùèé ÷åðåç êîíäåíñàòîð, ìîæíî âûðàçèòü èç (7.3) ÷åðåç íàïðÿæåíèå uÑ(t): iC(t) = CduC/dt, íî, êàê è ïðåæäå, iC(t) = iR(t). Òîãäà (7.2) çàïèøåòñÿ â âèäå: ÅÇÀÐ = R iR(t) + uC(t) = RCduC/dt + uC(t).
(7.4)
Ýòî ëèíåéíîå íåîäíîðîäíîå äèôôåðåíöèàëüíîå óðàâíåíèå ïåðâîãî ïîðÿäêà, è, êàê óæå óêàçûâàëîñü â ðàçäåëå 2.2, åãî ðåøåíèå ñîñòîèò èç äâóõ ñëàãàåìûõ. Ïåðâîå ÷àñòíîå ðåøåíèå íåîäíîðîäíîãî óðàâíåíèÿ, ïîêàçûâàþùåå óñòàíîâèâøååñÿ çíà÷åíèå íåçàâèñèìîé ïåðåìåííîé, â äàííîì ñëó÷àå uC(t), ïðè ïðîìåæóòêå âðåìåíè, çíà÷èòåëüíî ïðåâûøàþùåì ïåðåõîäíûé ïðîöåññ (â èäåàëå áåñêîíå÷íî áîëüøîì) uC(t) = uC(t = ¥). Çäåñü ýòî íàïðÿæåíèå, äî êîòîðîãî ñìîæåò çàðÿäèòüñÿ êîíäåíñàòîð. Âòîðîå îáùåå ðåøåíèå îäíîðîäíîãî äèôôåðåíöèàëüíîãî óðàâíåíèÿ, êîòîðîå ïîëó÷èòñÿ ïðè ÅÇÀÐ = 0. Îíî çàïèñûâàåòñÿ â âèäå: uC(t) = À åõð(t/RC), ãäå À ïîñòîÿííûé
186
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
êîýôôèöèåíò (ïîñòîÿííàÿ èíòåãðèðîâàíèÿ), îïðåäåëÿåìûé íà÷àëüíûìè óñëîâèÿìè.  îáùåì âèäå: uC(t) = uC(t = ¥) + + À åõð(t/RC). Äëÿ ðàññìàòðèâàåìîãî ñëó÷àÿ ìàêñèìàëüíîå íàïðÿæåíèå, äî êîòîðîãî ìîæåò çàðÿäèòüñÿ êîíäåíñàòîð uC(t = ¥) = ÅÇÀÐ. Ïðè îïðåäåëåíèè êîýôôèöèåíòà À ñëåäóåò ó÷åñòü, ÷òî â èñõîäíîì ñîñòîÿíèè êîíäåíñàòîð ðàçðÿæåí uC(t = 0) = 0 è äëÿ íåãî ïðèâåäåííîå âûøå ðåøåíèå èìååò âèä: uC(t = 0) = 0 = ÅÇÀÐ + À åõð[(t = 0)/RC], îòêóäà À = ÅÇÀÐ. Òàêèì îáðàçîì, uC(t) = EÇÀÐ[1 eõp(t/RC)] = EÇÀÐ[1 eõp(t/tC)], (7.5) ãäå tÑ = RC ïîñòîÿííàÿ âðåìåíè öåïè âðåìÿ, â òå÷åíèå êîòîðîãî íàïðÿæåíèå íà ðåàêòèâíîì ýëåìåíòå (â äàííîì ñëó÷àå êîíäåíñàòîðå) èçìåíÿåòñÿ â å ðàç. Ãðàôèê ýòîãî íàïðÿæåíèÿ ïðèâåäåí íà ðèñ. 7.12,á. Ïðîòåêàþùèé â ýòî âðåìÿ ïî öåïè òîê è âûäåëÿþùååñÿ íà ðåçèñòîðå R íàïðÿæåíèå ñîâïàäàþò ìåæäó ñîáîé ïî ôîðìå (ðåçèñòîð ëèíåéíûé áåçèíåðöèîííûé ýëåìåíò) è ìîãóò áûòü íàéäåíû ïî ôîðìóëàì: uR(t) = ÅÇÀÐ uC(t) =ÅÇÀÐ exp(t/tÑ) è iR(t) = uR(t)/R. (7.6) Èõ ãðàôèê ïîêàçàí íà ðèñ. 7.12,ã. Êàê âèäíî èç (7.3), íàïðÿæåíèå íà êîíäåíñàòîðå uC(t) îïðåäåëÿåòñÿ èíòåãðèðîâàíèåì òîêà iC(t), à òîê iC(t) = iR(t) = uR(t)/R, â ñâîþ î÷åðåäü, äèôôåðåíöèðîâàíèåì uÑ(t). Ïîýòîìó RÑ-öåïè, âûõîäíûì íàïðÿæåíèåì êîòîðûõ ÿâëÿåòñÿ íàïðÿæåíèå íà êîíäåíñàòîðå (ñì. ðèñ. 7.12,à) èíîãäà íàçûâàþòñÿ èíòåãðèðóþùèìè, à åñëè íàïðÿæåíèå íà ðåçèñòîðå uR(t) (ðèñ. 7.12,â), òî äèôôåðåíöèðóþùèìè. Çíàÿ íà÷àëüíûå è êîíå÷íûå çíà÷åíèÿ èçìåíåíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà ýòèõ ýëåìåíòàõ, ìîæíî ïî ôîðìóëàì (7.5) è (7.6) îïðåäåëèòü ïðîìåæóòêè âðåìåíè, â òå÷åíèå êîòîðûõ îíè ïðîèñõîäÿò. Íàïðèìåð, åñëè íàïðÿæåíèå íà êîíäåíñàòîðå èçìåíÿåòñÿ îò çíà÷åíèÿ 0 äî 0,9 ÅÇÀÐ, òî äëÿ ïåðâîãî èç íèõ ìîæíî çàïèñàòü: 0 = ÅÇÀÐ [1 åõð (t1/tÑ)], îòêóäà t1 = 0; äëÿ âòîðîãî: 0,9 ÅÇÀÐ = ÅÇÀÐ[1 åõð (t2/tÑ)], t2 = tÑ ln 0,1, òîãäà Dt = t2 t1 = tÑ ln 0,1 » 2,3tÑ. Èíîãäà âðåìÿ ïåðåêëþ÷åíèÿ àêòèâíîãî ýëåìåíòà îïðåäåëÿåòñÿ âðåìåíåì ðàçðÿäà ïåðâîíà÷àëüíî çàðÿæåííîãî êîíäåíñàòîðà. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî êîíäåíñàòîð Ñ (ðèñ. 7.13,à) çàðÿæåí äî íàïðÿæåíèÿ ÅÇÀÐ è â ìîìåíò t = 0 êëþ÷ Êë çàìûêàåòñÿ.
ÃËÀÂÀ 7. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÀÂÒÎÃÅÍÅÐÀÒÎÐÛ
à
â
á
ã
187
Ðèñ. 7.13
 ýòîì ñëó÷àå âñå íàïðÿæåíèå íà êîíäåíñàòîðå uC(t = 0) = = ÅÇÀÐ îêàçûâàåòñÿ ïðèëîæåííûì ê ðåçèñòîðó, è ÷åðåç íåãî íà÷èíàåò ïðîòåêàòü òîê iR(t) = uR(t)/R = uC(t)/R. Êàê è ðàíüøå, ýòîò òîê ÿâëÿåòñÿ îáùèì òîêîì öåïè è, ïðîòåêàÿ ÷åðåç êîíäåíñàòîð, ðàçðÿæàåò åãî. Òåïåðü óðàâíåíèå (7.4) äîëæíî áûòü ïåðåïèñàíî â âèäå: RCduC/dt + uC(t) = 0 è åãî ðåøåíèå uC(t) = ÅÇÀÐ åõð(t/tÑ). Ñîîòâåòñòâóþùèé ãðàôèê ïðèâåäåí íà ðèñ. 7.13,á. Òîê, ïðîòåêàþùèé ïðè ýòîì ïî öåïè, i(t) = = CduC/dt = (ÅÇÀÐ/R) åõð (t/tÑ). Çíàê «» îçíà÷àåò, ÷òî òîê ðàçðÿäà ïðîòèâîïîëîæåí íàïðàâëåíèþ òîêà çàðÿäà êîíäåíñàòîðà è íàïðÿæåíèÿ uC(t) è uR(t) ïðè îáõîäå êîíòóðà âêëþ÷åíû íàâñòðå÷ó äðóã äðóãó. Îäíàêî åñëè íà÷àòü ñðàâíèâàòü ýòè íàïðÿæåíèÿ ïî îòíîøåíèþ ê îäíîé èç îáêëàäîê êîíäåíñàòîðà, îíè ñîâïàäóò, òàê êàê îáà ýëåìåíòà â ýòîì ñëó÷àå îêàæóòñÿ âêëþ÷åííûìè ïàðàëëåëüíî.  íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ ïðîèñõîäèò íå òîëüêî ðàçðÿä, íî è ïåðåçàðÿä êîíäåíñàòîðà (ñìåíà çíàêà íàïðÿæåíèÿ, äåéñòâóþùåãî íà åãî îáêëàäêàõ). Ýòî âîçìîæíî, åñëè ê öåïè ïðèëîæåí èñòî÷íèê ÝÄÑ (ÅÏÅÐ), ïîëÿðíîñòü êîòîðîãî ïðîòèâîïîëîæíà íàïðÿæåíèþ íà êîíäåíñàòîðå (ðèñ. 7.13,â).  ýòîì ñëó÷àå ôîðìóëà (7.4) ïðèìåò âèä: RCduC/dt + uC(t) = ÅÏÅÐ. Òîãäà ìàêñèìàëüíîå íàïðÿæåíèå, äî êîòîðîãî ìîæåò çàðÿäèòüñÿ êîíäåíñàòîð, uC(t = ¥) = ÅÏÅÐ. Åñëè íà÷àëüíîå çíà÷åíèå íàïðÿæåíèÿ çàðÿæåííîãî êîíäåíñàòîðà, êàê è â ïðåäûäóùåì ñëó÷àå, ïðèíÿòü ðàâíûì ÅÇÀÐ, òî uC(t = 0) = ÅÇÀÐ, è ïðè îïðåäåëåíèè êîýôôèöèåíòà À ìîæíî
188
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
çàïèñàòü ÅÇÀÐ = ÅÏÅÐ + À åõð[(t = 0)/RC], îòêóäà À = ÅÇÀÐ + + ÅÏÅÐ. Òàêèì îáðàçîì, uC(t) = ÅÏÅÐ + (ÅÇÀÐ + ÅÏÅÐ) eõp (t/tC) = = ÅÇÀÐ (ÅÇÀÐ + ÅÏÅÐ)[1 eõp (t/tC)].
(7.7)
Ôèçè÷åñêè ýòî îáúÿñíÿåòñÿ òåì, ÷òî â ìîìåíò êîììóòàöèè (çàìûêàíèÿ êëþ÷à Êë) ê ðåçèñòîðó R îêàçûâàåòñÿ ïðèëîæåííûì íàïðÿæåíèå ÅÇÀÐ + ÅÏÅÐ (îíè ñèíôàçíû è ñêëàäûâàþòñÿ), êîòîðîå îïðåäåëÿåò òîê ðàçðÿäà êîíäåíñàòîðà è ñòåïåíü óìåíüøåíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà íåì. Ãðàôèê èçìåíåíèÿ uC(t) ïðèâåäåí íà ðèñ. 7.13,ã. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Íàðèñóéòå RÑ-öåïü, èçîáðàçèòå è ïîÿñíèòå ãðàôèêè èçìåíåíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà êîíäåíñàòîðå è òîêà â òàêîé öåïè. 2. Êàê ðàññ÷èòàòü íàïðÿæåíèå, âûäåëÿþùååñÿ íà êîíäåíñàòîðå, ïðè ïîäà÷å íà âõîä öåïè (ñì. ðèñ. 7.12,à) ïîñòîÿííîãî íàïðÿæåíèÿ? 3. Êàê ðàññ÷èòàòü íàïðÿæåíèå, âûäåëÿþùååñÿ íà ðåçèñòîðå, ïðè ïîäà÷å íà âõîä öåïè (ðèñ. 7.12,à) ïîñòîÿííîãî íàïðÿæåíèÿ? 4. Êàêèå öåïè íàçûâàþòñÿ èíòåãðèðóþùèìè è äèôôåðåíöèðóþùèìè? 5. ×åì ïðîöåññû çàðÿäà êîíäåíñàòîðà îòëè÷àþòñÿ îò åãî ðàçðÿäà? 6. Îáúÿñíèòå ãðàôèê èçìåíåíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà êîíäåíñàòîðå ïðè ïîäà÷å íà âõîä öåïè íàïðÿæåíèÿ ïðîòèâîïîëîæíîé ïîëÿðíîñòè. 7.2.2. ÀÂÒÎÊÎËÅÁÀÒÅËÜÍÛÅ ÌÓËÜÒÈÂÈÁÐÀÒÎÐÛ
Îäíèìè èç íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûõ èìïóëüñíûõ ãåíåðàòîðîâ ÿâëÿþòñÿ ãåíåðàòîðû ïðÿìîóãîëüíûõ êîëåáàíèé. Ýòî ñâÿçàíî êàê ñ øèðîêèì ïðèìåíåíèåì ñèãíàëîâ òàêîãî âèäà â ðàçëè÷íûõ ðàäèîòåõíè÷åñêèõ óñòðîéñòâàõ, òàê è èñïîëüçîâàíèåì èõ â êà÷åñòâå îñíîâû ïðè ïîñòðîåíèè ãåíåðàòîðîâ äðóãèõ ôîðì ñèãíàëîâ. Ïðîñòåéøèì ôîðìèðîâàòåëåì ïðÿìîóãîëüíûõ ïåðèîäè÷åñêèõ êîëåáàíèé ÿâëÿåòñÿ ìóëüòèâèáðàòîð, òèïîâàÿ ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà êîòîðîãî ïðèâåäåíà íà ðèñ. 7.14,à. Îí ñîñòîèò èç äâóõ ðåçèñòîðíûõ óñèëèòåëüíûõ êàñêàäîâ, èíîãäà íàçûâàåìûõ ïëå÷àìè, òðàíçèñòîðû êîòîðûõ âêëþ÷åíû ïî ñõåìå ñ ÎÝ, è âûõîä êàæäîãî èç êàñêàäîâ ïîäêëþ÷åí ê âõîäó äðóãîãî ÷åðåç êîíäåíñàòîð. Òðàíçèñòîðû âñåãäà íàõîäÿòñÿ â ïðîòèâîïîëîæíûõ ñîñòîÿíèÿõ: êîãäà îäèí îòêðûò, äðóãîé çàêðûò. Ðàññìîòðèì ïîäðîáíåå ðàáîòó òàêîãî ãåíåðàòîðà.
189
ÃËÀÂÀ 7. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÀÂÒÎÃÅÍÅÐÀÒÎÐÛ
à
á
Ðèñ. 7.14
Ïðåäïîëîæèì, ÷òî ñíà÷àëà òðàíçèñòîð VT1 îòêðûò ïîëíîñòüþ, âïëîòü äî íàñûùåíèÿ, à VT2 çàêðûò. Êîíäåíñàòîð Ñ1 çàðÿæåí, íàïðÿæåíèå íà íåì áëèçêî ê ÅÏ è èìååò çíàêè, ïîêàçàííûå íà ðèñ. 7.14,à îêîëî êîíäåíñàòîðà ñâåðõó. Êîíäåíñàòîð Ñ2 ðàçðÿæåí, íàïðÿæåíèå íà íåì áëèçêî ê íóëþ. Îñöèëëîãðàììû íàïðÿæåíèé íà ýòèõ ýëåìåíòàõ ïðèâåäåíû íà ðèñ. 7.15. Ïóñòü òîëüêî ÷òî ïîëíîñòüþ îòêðûëñÿ òðàíçèñòîð VT1, íàïðÿæåíèå íà íåì óìåíüøèëîñü äî îñòàòî÷íîãî, òî åñòü ïî÷òè äî íóëÿ, è èì ìîæíî ïðåíåáðå÷ü (íà ñõåìå øòðèõàìè èçîáðàæåíî êîðîòêîå çàìûêàíèå òðàíçèñòîðà). Òîãäà òîê ÷åðåç ðåçèñòîð RÊ1(iRK1) ïðîòåêàåò ëèøü ÷åðåç VÒ1 è äîñòèãàåò ñâîåãî ìàêñèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ. Ëåâûé âûâîä êîíäåíñàòîðà Ñ1 (åãî ïîëîæèòåëüíàÿ îáêëàäêà) ÷åðåç êîðîòêîçàìêíóòûé ïðîìåæóòîê êîëëåêòîðýìèòòåð VT1 îêàçûâàåòñÿ ïðèñîåäèíåííûì ê ýìèòòåðó VT2, à ñàì çàðÿæåííûé êîíäåíñàòîð ïîäêëþ÷åííûì ê áàçî-ýìèòòåðíîìó ïðîìåæóòêó ýòîãî òðàíçèñòîðà (íà ðèñ. 7.14,à ïîêàçàíî ïóíêòèðîì). Íàïðÿæåíèå íà Ñ1 èìååò ïîëÿðíîñòü, çàïèðàþùóþ VT2, ïîääåðæèâàåò ýòîò òðàíçèñòîð â çàêðûòîì ñîñòîÿíèè, è òîê ÷åðåç VT2 íå òå÷åò. Òîãäà âåñü òîê iRK2, ïðîòåêàþùèé îò ÅÏ ÷åðåç RÊ2, îòâåòâëÿåòñÿ â öåïü, ñîñòîÿùóþ èç Ñ2 è áàçî-ýìèòòåðíîãî ïðîìåæóòêà VT1. Åãî ìãíîâåííîå çíà÷åíèå â ëþáîé ìîìåíò âðåìåíè ìîæåò áûòü ðàññ÷èòàíî ïî ôîðìóëå iRK2 = (EÏ uÁÝ1 uC2)/RK2. Íàïðÿæåíèå íà êîíäåíñàòîðå Ñ2 ðàâíî íóëþ, ïîýòîìó iRK2 äîñòèãàåò ñâîåãî ìàêñèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ è ñîâìåñòíî ñ òîêîì iRÁ1, ïðîòåêàþùèì ÷åðåç RÁ1, ïîääåðæèâàåò VT1 â îòêðûòîì è íàñûùåííîì ñîñòîÿíèè. Ïî ìåðå ïðîòåêàíèÿ òîêà iRÊ2 ÷åðåç êîíäåíñàòîð Ñ2 íàïðÿæåíèå íà íåì uÑ2 âîçðàñòàåò (ðèñ. 7.15,ã), ñòðåìÿñü ê ÅÏ è óìåíüøàÿ iRÊ2 (ïîëÿðíîñòü íàïðÿæåíèÿ uÑ2 ïîêàçàíà íà ðèñ. 7.14,à).
190
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
à
á
â
ã
Ðèñ. 7.15
Îäíàêî òîê iÁ1 ïðîäîëæàåò ñîõðàíÿòü ðåæèì íàñûùåíèÿ VT1. Íàïðÿæåíèå êîëëåêòîðýìèòòåð VT2 (ðèñ. 7.15,â), îïðåäåëÿåìîå êàê uÊÝ2 = ÅÏ iRÊ2RÊ2 óâåëè÷èâàåòñÿ, ñòðåìÿñü ê ÅÏ. Ïðè ýòîì âñåãäà uÊÝ2 = uÁÝ1 + uÑ2, à çíà÷èò, ôîðìà íàïðÿæåíèÿ uÊÝ2 ïðèìåðíî ïîâòîðÿåò ôîðìó íàïðÿæåíèÿ íà Ñ2 è âåëè÷èíà uÑ2 íåñêîëüêî ìåíüøå (èíîãäà íà åäèíèöû è äîëè ïðîöåíòà), ÷åì uÊÝ2. Îäíîâðåìåííî îò ÅÏ ÷åðåç öåïü RÁ2 è Ñ1 ïðîòåêàåò òîê iRÁ2, êîìïåíñèðóþùèé çàðÿä êîíäåíñàòîðà Ñ1, äîâîäÿ íàïðÿæåíèå íà íåì (ðèñ. 7.15,á) ñíà÷àëà äî íóëÿ (ïîëíàÿ êîìïåíñàöèÿ), à çàòåì èçìåíÿÿ çíàê íà ïðîòèâîïîëîæíûé (íà ðèñ. 7.14,à ïîêàçàíî â ñêîáêàõ). Òàêàÿ ïîëÿðíîñòü íàïðÿæåíèÿ ÿâëÿåòñÿ îòïèðàþùåé äëÿ VT2, íî íàëè÷èå íà åãî âõîäíîé õàðàêòåðè-
ÃËÀÂÀ 7. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÀÂÒÎÃÅÍÅÐÀÒÎÐÛ
191
ñòèêå (ðèñ. 7.14,á) ïîðîãà îòêðûâàíèÿ òðàíçèñòîðà (UÏÎÐ) íå ïîçâîëÿåò VT2 ñðàçó æå âêëþ÷èòüñÿ â ðàáîòó. Ïðè äîñòèæåíèè è ïðåâûøåíèè íàïðÿæåíèåì íà êîíäåíñàòîðå Ñ1 ïîðîãà îòêðûâàíèÿ VT2 ïîñëåäíèé ïðèîòêðûâàåòñÿ.  ýòîì ñëó÷àå òîê iRÊ2 íà÷èíàåò ÷àñòè÷íî îòâåòâëÿòüñÿ â êîëëåêòîð VÒ2, åãî âåëè÷èíà âîçðàñòàåò, à íàïðÿæåíèå uÊÝ2 óìåíüøàåòñÿ. Íàïðÿæåíèå áàçàýìèòòåð VT1 uÁÝ1 = uÊÝ2 uÑ2 (çíàêè íàïðÿæåíèé uÊÝ2 è uÑ2 ïîêàçàíû íà ðèñ. 7.14,à) óìåíüøàåòñÿ, ïðèçàêðûâàÿ VT1. Òåïåðü åãî êîëëåêòîðýìèòòåðíûé ïðîìåæóòîê óæå íåëüçÿ ïðåäñòàâèòü â âèäå êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ, è ïðè äàëüíåéøåì ðàññìîòðåíèè íåëüçÿ ñ÷èòàòü, ÷òî ëåâàÿ îáêëàäêà êîíäåíñàòîðà Ñ1 ñîåäèíåíà ñ ýìèòòåðîì VT2. Ïðèçàêðûâàíèå VT1 ïðèâîäèò ê ÷àñòè÷íîìó îòâåòâëåíèþ òîêà iRÊ1 (ðàíåå ïîëíîñòüþ ïðîòåêàþùåãî ÷åðåç êîëëåêòîð VT1) â öåïü, ñîñòîÿùóþ èç Ñ1 è áàçàýìèòòåðíîãî ïåðåõîäà VT2, äîïîëíèòåëüíî ïðèîòêðûâàÿ ýòîò òðàíçèñòîð. Ýòî, â ñâîþ î÷åðåäü, óâåëè÷èâàåò ÷àñòü òîêà iRÊ2, ïðîòåêàþùóþ ÷åðåç êîëëåêòîð VT2, óìåíüøàåò íàïðÿæåíèå uÊÝ2, à çíà÷èò è uÁÝ1. Òðàíçèñòîð VT1 äîïîëíèòåëüíî ïðèçàêðûâàåòñÿ, óâåëè÷èâàÿ ÷àñòü òîêà, ïðîòåêàþùóþ ïî öåïè RÊ1, Ñ1, áàçàýìèòòåðíûé ïåðåõîä VT2 è ïðèîòêðûâàþùóþ ïîñëåäíèé. Âîçíèêàåò ïîëîæèòåëüíàÿ îáðàòíàÿ ñâÿçü, ïîðîæäàþùàÿ ëàâèíîîáðàçíûé ïðîöåññ, â ðåçóëüòàòå äåéñòâèÿ êîòîðîé VT2 îòêðûâàåòñÿ ïîëíîñòüþ, âïëîòü äî íàñûùåíèÿ, à VT1 çàêðûâàåòñÿ. Ïðîöåññ ïåðåõîäà VT1 â çàêðûòîå, à VT2 â îòêðûòîå ñîñòîÿíèÿ íàçûâàåòñÿ ðåãåíåðàòèâíûì. Ëèøü â ýòîì ðåæèìå â ìóëüòèâèáðàòîðå îáà òðàíçèñòîðà íàõîäÿòñÿ â àêòèâíîì ñîñòîÿíèè, âûïîëíÿåòñÿ áàëàíñ àìïëèòóä, è â ìóëüòèâèáðàòîðå äåéñòâóåò ïîëîæèòåëüíàÿ ÎÑ ñ ïåòëåâûì óñèëåíèåì áîëüøå åäèíèöû. Âûñîêàÿ ñêîðîñòü ïðîèñõîäÿùèõ ïðè ýòîì ïåðåêëþ÷àþùèõ ïðîöåññîâ íå ïîçâîëÿåò íàïðÿæåíèþ íà êîíäåíñàòîðàõ ñóùåñòâåííî èçìåíèòüñÿ, è îíè ñîõðàíÿþò ñâîè çíà÷åíèÿ, ñóùåñòâîâàâøèå â ìîìåíò íà÷àëà ïåðåêëþ÷åíèÿ. Ïîñëå ïåðåêëþ÷åíèÿ íàïðÿæåíèå êîëëåêòîðýìèòòåðíîãî ïðîìåæóòêà VT2 (ðèñ. 7.15,â) áëèçêî ê íóëþ, è òåïåðü îí ìîæåò áûòü ïðåäñòàâëåí â âèäå êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ. Òîãäà ïîëîæèòåëüíàÿ îáêëàäêà êîíäåíñàòîðà Ñ2 (ïðàâàÿ íà ñõåìå ðèñ. 7.14,à) îêàçûâàåòñÿ ïðèñîåäèíåííîé ê ýìèòòåðó VT1, è íàïðÿæåíèå íà Ñ2 íà÷èíàåò ïîääåðæèâàòü ýòîò òðàíçèñòîð â çàêðûòîì ñîñòîÿíèè. Âåñü òîê iRÊ1 íà÷èíàåò ïðîòåêàòü ÷åðåç Ñ1
192
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
è áàçàýìèòòåðíûé ïåðåõîä VT2, îáåñïå÷èâàÿ ñîâìåñòíî ñ òîêîì iRÁ2 íàñûùåíèå VT2 è ïîääåðæàíèå åãî â îòêðûòîì ñîñòîÿíèè. Òàêèì îáðàçîì, ñîñòîÿíèÿ òðàíçèñòîðîâ è íàïðÿæåíèÿ íà êîíäåíñàòîðàõ èçìåíèëèñü íà ïðîòèâîïîëîæíûå. Òåïåðü óæå òðàíçèñòîð VT2 îòêðûò ïîëíîñòüþ, âïëîòü äî íàñûùåíèÿ, à VT1 çàêðûò. Êîíäåíñàòîð Ñ2 çàðÿæåí, íàïðÿæåíèå íà íåì áëèçêî ê ÅÏ, à Ñ1 ðàçðÿæåí, è íàïðÿæåíèå íà íåì ðàâíî UÏÎÐ, êîòîðîå çíà÷èòåëüíî ìåíüøå ÅÏ, òî åñòü áëèçêî ê íóëþ. Âñå ðàññìîòðåííûå ðàíåå ïðîöåññû íà÷èíàþò ïîâòîðÿòüñÿ, íî òåïåðü óæå â äðóãèõ ïëå÷àõ (ðèñ. 7.15). Èç ðèñ. 7.15,à è â âèäíî, ÷òî ôîðìà ãåíåðèðóåìûõ êîëåáàíèé áëèçêà ê ïðÿìîóãîëüíîé. Âåðøèíà èìïóëüñà ôîðìèðóåòñÿ ïðè çàêðûòîì ñîñòîÿíèè òðàíçèñòîðà, à ïàóçà ïðè îòêðûòîì. Ôðîíò èìïóëüñà îïðåäåëÿåòñÿ êàê ïåðåõîäîì òðàíçèñòîðà èç îòêðûòîãî ñîñòîÿíèÿ â çàêðûòîå, òàê è çàðÿäîì êîíäåíñàòîðà, ïîäêëþ÷åííîãî ê êîëëåêòîðó ýòîãî òðàíçèñòîðà; ñðåç òîëüêî ïåðåõîäîì òðàíçèñòîðà èç çàêðûòîãî â îòêðûòîå ñîñòîÿíèå, òî åñòü äëèòåëüíîñòüþ ðåãåíåðàòèâíîãî ïðîöåññà, êîòîðàÿ ïðåíåáðåæèìî ìàëà. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Íàðèñóéòå ïðèíöèïèàëüíóþ ñõåìó àâòîêîëåáàòåëüíîãî ìóëüòèâèáðàòîðà. 2. Ðàññêàæèòå, êàê ðàáîòàåò ìóëüòèâèáðàòîð. 3. Ïîñòðîéòå ãðàôèêè, õàðàêòåðèçóþùèå íàïðÿæåíèÿ íà êîíäåíñàòîðàõ è êîëëåêòîð-ýìèòòåðíûõ ïðîìåæóòêàõ òðàíçèñòîðîâ. 4. ×òî â ìóëüòèâèáðàòîðå ïîääåðæèâàåò îäèí èç òðàíçèñòîðîâ â îòêðûòîì, à äðóãîé â çàêðûòîì ñîñòîÿíèÿõ? 5. ×åì îïðåäåëÿåòñÿ äëèòåëüíîñòü ôðîíòà ãåíåðèðóåìîãî êîëåáàíèÿ? 6. Êàêèå ïðîöåññû îïðåäåëÿþò ïðîäîëæèòåëüíîñòü âåðøèíû ôîðìèðóåìûõ èìïóëüñîâ? 7.  ÷åì ñîñòîèò ñóùíîñòü ðåãåíåðàòèâíîãî ïðîöåññà? 7.2.3. ÂÐÅÌÅÍÍÛ´ Å ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊÈ ÃÅÍÅÐÈÐÓÅÌÎÃÎ ÊÎËÅÁÀÍÈß
Íàéäåì âåëè÷èíó äëèòåëüíîñòè ãåíåðèðóåìîãî èìïóëüñà. Êàê ñëåäóåò èç îïèñàíèÿ ðàáîòû ìóëüòèâèáðàòîðà, îíà ñâÿçàíà ñ ïåðåçàðÿäîì êîíäåíñàòîðà ÷åðåç ðåçèñòîðû è öåïè, êîòîðûå â ïðîñòåéøåì ñëó÷àå ìîãóò áûòü ïðåäñòàâëåíû â âèäå ðåçèñòîðíûõ ýêâèâàëåíòîâ.
ÃËÀÂÀ 7. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÀÂÒÎÃÅÍÅÐÀÒÎÐÛ
193
Âûøå óêàçûâàëîñü, ÷òî ïåðåêëþ÷åíèå ñîñòîÿíèÿ òðàíçèñòîðîâ ïðîèñõîäèò, êîãäà íàïðÿæåíèå íà êîíäåíñàòîðå, ïîääåðæèâàþùåå òðàíçèñòîð â çàêðûòîì ñîñòîÿíèè, äîñòèãàåò ïîðîãîâîé âåëè÷èíû UÏÎÐ. Äëÿ îïðåäåëåííîñòè ðàññìîòðèì ðåæèì ïåðåêëþ÷åíèÿ òðàíçèñòîðà VT2 (ðèñ. 7.14,à) èç çàêðûòîãî ñîñòîÿíèÿ â îòêðûòîå, è ïðîèñõîäÿùèé ïðè ýòîì ÷åðåç ðåçèñòîð RÁ2 è îòêðûòûé òðàíçèñòîð VÒ1 ïåðåçàðÿä êîíäåíñàòîðà C1. Ñ÷èòàåì, ÷òî ïåðåä íà÷àëîì ðàçðÿäà êîíäåíñàòîð çàðÿæåí äî íàïðÿæåíèÿ ÅÏ, çíàêè êîòîðîãî ïîêàçàíû ó Ñ1 íà ðèñ. 7.14,à ñâåðõó, à òðàíçèñòîð VT1 îòêðûò ïîëíîñòüþ, âïëîòü äî íàñûùåíèÿ, è ñîïðîòèâëåíèå åãî êîëëåêòîð-ýìèòòåðíîãî ïðîìåæóòêà ðàâíî íóëþ.  ýòîì ñëó÷àå òîê ïåðåçàðÿäà áóäåò îïðåäåëÿòüñÿ íàïðÿæåíèåì, ïðèëîæåííûì ê RÁ2.  íà÷àëå ïåðåçàðÿäà åãî âåëè÷èíà, ñêëàäûâàþùàÿñÿ èç íàïðÿæåíèé íà ýòîì êîíäåíñàòîðå è èñòî÷íèêå ïèòàíèÿ, ñîñòàâèò 2ÅÏ. Ïðîöåññ ïåðåçàðÿäà çàêîí÷èòñÿ, êîãäà uC äîñòèãíåò âåëè÷èíû UÏÎÐ, èìåþùåé çíàêè íàïðÿæåíèÿ íà êîíäåíñàòîðå, ïðîòèâîïîëîæíûå èñõîäíîìó (íà ðèñ. 7.14,à ïîêàçàíû â ñêîáêàõ). Òàêàÿ ñèòóàöèÿ áûëà ðàññìîòðåíà íàìè â 7.2.1. Òàì æå ïîêàçàíî, ÷òî íàïðÿæåíèå íà êîíäåíñàòîðå â ëþáîé ìîìåíò âðåìåíè ìîæåò áûòü ðàññ÷èòàíî ñ ïîìîùüþ ôîðìóëû (7.7) ïðè çàìåíå â íåé ÅÇÀÐ íà ÅÏ, è ÅÏÅÐ íà ÅÏ. Òîãäà uC(t) = ÅÏ 2ÅÏ[1 eõp (t/tÐÀÇ)], ãäå tÐÀÇ = RÁ2Ñ1. Äëèòåëüíîñòü ôîðìèðóåìîãî èìïóëüñà ìîæåò áûòü ðàññ÷èòàíà èç óðàâíåíèÿ uC(t = tÈ) = = UÏÎÐ = ÅÏ 2ÅÏ[1 eõp (tÈ/tÐÀÇ)]. Ó÷èòûâàÿ, ÷òî, êàê ïðàâèëî, UÏÎÐ = 2ÅÏ, åãî âåëè÷èíîé ìîæíî ïðåíåáðå÷ü è ïðèíÿòü UÏÎÐ = 0. Òîãäà tÈ = RÁ2Ñ1 ln 2 » 0,7RÁ2C1. Îäíîâðåìåííî â äðóãîì ïëå÷å ïðîèñõîäèò çàðÿä êîíäåíñàòîðà Ñ2 ÷åðåç ðåçèñòîð RÊ2. Åãî äëèòåëüíîñòü tÇÀÐÑ2 ìîæíî îïðåäåëèòü èç (7.5), ïðèíÿâ, ÷òî èçìåíåíèåì ìàêñèìàëüíîãî íàïðÿæåíèÿ íà ýòîì êîíäåíñàòîðå ïîñëå âåëè÷èíû uC = 0,9ÅÏ ìîæíî ïðåíåáðå÷ü. Òîãäà tÇÀÐÑ2 » 2,3RÊ2Ñ2. Âõîäÿùèå â ïðèâåäåííûå ôîðìóëû ñîïðîòèâëåíèÿ RÁ2 è RÊ2 íå ðàâíû ìåæäó ñîáîé. Òîê, ïðîòåêàþùèé ÷åðåç RÁ2, âî ìíîãî ðàç ìåíüøå òîêà êîëëåêòîðà, òåêóùåãî ÷åðåç RÊ2, ïîýòîìó RÊ2 = RÁ2 è ïðîöåññ çàðÿäà êîíäåíñàòîðà â ñèììåòðè÷íûõ ïëå÷àõ ïðîèñõîäèò áûñòðåå, ÷åì åãî ðàçðÿä, à çíà÷èò, ïîñëåäíèé îïðåäåëÿåò äëèòåëüíîñòü èìïóëüñà. Âî âðåìÿ ôîðìèðîâàíèÿ èìïóëüñà â îäíîì ïëå÷å, â äðóãîì â òå÷åíèå âñåãî ýòîãî âðåìåíè ïîääåðæèâàåòñÿ ïàóçà. Ïîýòîìó ïåðèîä ïîâòîðåíèÿ êîëåáàíèÿ ìîæåò
194
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
áûòü îïðåäåëåí êàê Ò = tÈ1 + tÈ2, ãäå tÈ1 äëèòåëüíîñòü èìïóëüñà, ôîðìèðóåìîãî îäíèì ïëå÷îì, tÈ2 äðóãèì. Åñëè ìóëüòèâèáðàòîð ñèììåòðè÷íûé, òî åñòü R1 = R2, Ñ1 = Ñ2 è tÐÀÇ = RÑ, òî äëèòåëüíîñòè èìïóëüñîâ (è ïàóç) â îáîèõ ïëå÷àõ áóäóò îäèíàêîâû è ïåðèîä ïîâòîðåíèÿ Ò = 1,4tÐÀÇ. Íà ðèñ. 7.15 âèäíî, ÷òî ôðîíòû ãåíåðèðóåìîãî ìóëüòèâèáðàòîðîì êîëåáàíèÿ íå èäåàëüíî êðóòûå. Ýòî îáóñëîâëåíî òåì, ÷òî âûõîäíîå íàïðÿæåíèå, ñíèìàåìîå, íàïðèìåð, ñ êîëëåêòîðà òðàíçèñòîðà VT2, ðàâíî ñóììå íàïðÿæåíèé íà áàçà-ýìèòòåðíîì ïåðåõîäå òðàíçèñòîðà äðóãîãî ïëå÷à (VT1) è êîíäåíñàòîðå Ñ2, ïîäêëþ÷åííîì ê êîëëåêòîðó VT2. Êîíäåíñàòîð çàðÿæàåòñÿ íå ìãíîâåííî, è ýòî îïðåäåëÿåò ôîðìó âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ. Âûøå áûëî óêàçàíî, ÷òî tÇÀÐ = tÐÀÇ, è íàïðÿæåíèå íà êîëëåêòîðå òðàíçèñòîðà äîñòèãàåò ÅÏ ðàíüøå îêîí÷àíèÿ èìïóëüñà. Íàëè÷èå çàòÿãèâàíèÿ ôðîíòîâ ÿâëÿåòñÿ íåäîñòàòêîì ãåíåðèðóåìîãî êîëåáàíèÿ. Äëÿ óñòðàíåíèÿ ýòîãî ñõåìó ìóëüòèâèáðàòîðà ìîæíî èçìåíèòü, êàê ïîêàçàíî íà ðèñ. 7.16. Çäåñü öåïè çàðÿäà êîíäåíñàòîðîâ (ðåçèñòîðû RÇ1, RÇ2) îòäåëåíû îò êîëëåêòîðîâ ñîîòâåòñòâóþùèõ òðàíçèñòîðîâ äèîäàìè, êîòîðûå ðàçðûâàþò ñîåäèíåíèå êîëëåêòîðà ñ êîíäåíñàòîðîì íà âñå âðåìÿ çàðÿäà ïîñëåäíåãî. Íàïðèìåð, êîãäà êîíäåíñàòîð Ñ2 ðàçðÿæåí è íàïðÿæåíèå íà íåì áëèçêî ê íóëþ, òðàíçèñòîð VT2 çàïåðò è íàïðÿæåíèå ìåæäó åãî êîëëåêòîðîì è ýìèòòåðîì ðàâíî ÅÏ.  ýòîì ñëó÷àå äèîä VD2 ñìåùåí â îáðàòíîì íàïðàâëåíèè, òîê çàðÿäà êîíäåíñàòîðà òå÷åò òîëüêî ÷åðåç RÇ2 è íà ôîðìó âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ íå âëèÿåò. Îäíîâðåìåííî òðàíçèñòîð VT1 îòêðûò, åãî íàïðÿæåíèå êîëëåêòîðýìèòòåð ïðåíåáðåæèìî ìàëî, ïîýòîìó íàïðÿæåíèå íà Ñ1 îòêðûâàåò VD1, è ÷åðåç íåãî ïîëîæèòåëüíàÿ îáêëàäêà Ñ1 îêàçûâàåòñÿ ïðèñîåäèíåííîé ê êîëëåêòîðó VT1, òî åñòü íàëè÷èå äèîäà íå âëèÿåò íà äðóãèå ïðîöåññû, ïðîèñõîäÿùèå â ìóëüòèâèáðàòîðå. Ïðèâåäåííîå îïèñàíèå ïîêàçûâàåò, ÷òî â ìóëü-
Ðèñ. 7.16
ÃËÀÂÀ 7. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÀÂÒÎÃÅÍÅÐÀÒÎÐÛ
195
òèâèáðàòîðå ðèñ. 7.16 öåïü çàðÿäà êîíäåíñàòîðà îòêëþ÷åíà îò âûõîäíîé öåïè óñòðîéñòâà, ÷òî ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ çàòÿãèâàíèÿ ôðîíòà è óëó÷øåíèþ ôîðìû ãåíåðèðóåìîãî èìïóëüñà. Åùå îäèí âàðèàíò ñèììåòðè÷íîãî àâòîêîëåáàòåëüíîãî ìóëüòèâèáðàòîðà ñ óëó÷øåííîé ôîðìîé âûõîäíîãî íàïðÿÐèñ. 7.17 æåíèÿ ïðèâåäåí íà ðèñ. 7.17. Çäåñü âðåìÿ ïåðåêëþ÷åíèÿ ÎÓ èç îäíîãî ñîñòîÿíèÿ â äðóãîå îïðåäåëÿåòñÿ ïåðåçàðÿäîì êîíäåíñàòîðà Ñ1. Ïðè âêëþ÷åíèè íàïðÿæåíèÿ ïèòàíèÿ çà ñ÷åò ïîëîæèòåëüíîé îáðàòíîé ñâÿçè ÷åðåç ðåçèñòîðû R1, R2 îïåðàöèîííûé óñèëèòåëü îêàçûâàåòñÿ â îäíîì èç ñîñòîÿíèé íàñûùåíèÿ, ôîðìèðóÿ âûõîäíîå íàïðÿæåíèå ïîëîæèòåëüíîé èëè îòðèöàòåëüíîé ïîëÿðíîñòè. Ïðè ýòîì íàïðÿæåíèå íà âêëþ÷åííûõ âñòðå÷íî ñòàáèëèòðîíàõ VD1 è VD2 ïðåâûøàåò âåëè÷èíó, ðàâíóþ ñóììå íàïðÿæåíèÿ ñòàáèëèçàöèè äëÿ îäíîãî äèîäà è ïîðîãà îòêðûâàíèÿ äëÿ äðóãîãî, äèîäû îòêðûâàþòñÿ, ôèêñèðóÿ çíà÷åíèå âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ UÂÛÕ. Âêëþ÷åíèå ðåçèñòîðà R4 ïîçâîëÿåò îãðàíè÷èòü âåëè÷èíó âûõîäíîãî òîêà, ïîòðåáëÿåìîãî îò ÎÓ. Ðàññìîòðèì ðàáîòó ìóëüòèâèáðàòîðà. Ïðåäïîëîæèì, íà âûõîäå ÎÓ ïîÿâèëîñü ìàêñèìàëüíîå íàïðÿæåíèå ïîëîæèòåëüíîé ïîëÿðíîñòè. Ïîä äåéñòâèåì åãî íà ðåçèñòîðå R1 ïîÿâëÿåòñÿ òàêæå ïîëîæèòåëüíîå íàïðÿæåíèå ÅÇÀÐ = UÂÛÕR1/(R1 + R2), à ÷åðåç öåïü R3Ñ1 íà÷èíàåò ïðîòåêàòü òîê, çàðÿæàþùèé êîíäåíñàòîð Ñ1. Äî òåõ ïîð, ïîêà íàïðÿæåíèå íà Ñ1 (UÑ1) áóäåò ìåíüøå ÅÇÀÐ, ÎÓ çà ñ÷åò áîëüøîé âåëè÷èíû ñâîåãî êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ áóäåò ïîääåðæèâàòüñÿ â ñîñòîÿíèè íàñûùåíèÿ. Êàê òîëüêî UÑ1 ïðåâûñèò ÅÇÀÐ, äèôôåðåíöèàëüíîå íàïðÿæåíèå ìåæäó âõîäàìè ÎÓ èçìåíèò ñâîé çíàê è óñèëèòåëü ïåðåéäåò â ïðîòèâîïîëîæíîå ñîñòîÿíèå íàñûùåíèÿ, ôîðìèðóÿ íà âûõîäå íàïðÿæåíèå îòðèöàòåëüíîé ïîëÿðíîñòè. Ïðè ýòîì ñòàáèëèòðîíû VD1 è VD2 îòêðûâàþòñÿ, âíîâü ôèêñèðóÿ ýòî íàïðÿæåíèå, íî óæå ïðîòèâîïîëîæíîé ïîëÿðíîñòè. Òåïåðü êîíäåíñàòîð Ñ1 íà÷èíàåò ïåðåçàðÿæàòüñÿ, ïðè÷åì íàïðÿæåíèå åãî
196
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
ïåðåçàðÿäà ðàâíî ÅÏÅÐ = UÂÛÕ. Ïðè äîñòèæåíèè UÑ1 âåëè÷èíû íàïðÿæåíèÿ íà R1 ÎÓ âíîâü ïåðåêëþ÷àåòñÿ, è âñå ïðîöåññû ïîâòîðÿþòñÿ. Äëÿ îïðåäåëåíèÿ âðåìåíè ïåðåçàðÿäà êîíäåíñàòîðà ìîæíî âîñïîëüçîâàòüñÿ (7.7), ïðè ïîäñòàíîâêå â êîòîðóþ ÅÏÅÐ, ÅÇÀÐ è êîíå÷íîãî çíà÷åíèÿ uC(tÈ) = ÅÇÀÐ ïîëó÷èì tÈ = R3Ñ1 ln [(1 + R1/(R1 + R2))/(1 R1/(R1 + R2))]. Ó÷èòûâàÿ ñèììåòðè÷íîñòü ïðîèñõîäÿùèõ ïðîöåññîâ, ïåðèîä ïîâòîðåíèÿ èìïóëüñîâ ìóëüòèâèáðàòîðà: Ò = 2tÈ. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Ïî êàêîé ôîðìóëå ìîæíî ðàññ÷èòàòü äëèòåëüíîñòü ôîðìèðóåìîãî èìïóëüñà àâòîêîëåáàòåëüíîãî ìóëüòèâèáðàòîðà (ðèñ. 7.14)? 2. ×åì îïðåäåëÿåòñÿ ïåðèîä ïîâòîðåíèÿ êîëåáàíèÿ? 3. ×åìó ðàâåí ïåðèîä êîëåáàíèÿ, ôîðìèðóåìîãî ñèììåòðè÷íûì ìóëüòèâèáðàòîðîì? 4. Ðàññêàæèòå î âîçìîæíîñòÿõ óëó÷øåíèÿ ôîðìû êîëåáàíèÿ ãåíåðèðóåìîãî ìóëüòèâèáðàòîðîì, âûïîëíåííûì ïî ñõåìå ðèñ. 7.16. 5. Íàðèñóéòå ñõåìó ìóëüòèâèáðàòîðà íà ÎÓ è ðàññêàæèòå î åãî ðàáîòå. 7.2.4. ÁËÎÊÈÍÃ-ÃÅÍÅÐÀÒÎÐ
Åùå îäíîé ðàçíîâèäíîñòüþ ãåíåðàòîðîâ ïðÿìîóãîëüíûõ èìïóëüñîâ ÿâëÿþòñÿ áëîêèíã-ãåíåðàòîðû. Èõ îòëè÷èòåëüíîé îñîáåííîñòüþ ÿâëÿåòñÿ ôîðìèðîâàíèå èìïóëüñîâ â øèðîêîì äèàïàçîíå ÷àñòîò ñ áîëüøîé ñêâàæíîñòüþ. Íàèáîëüøåå ðàñïðîñòðàíåíèå òàêèå ãåíåðàòîðû íàøëè â ðàäèîëîêàöèîííîé òåõíèêå, ñîâðåìåííûõ ñòàáèëèçèðîâàííûõ èñòî÷íèêàõ ïèòàíèÿ è ò. ä. Âñå áëîêèíã-ãåíåðàòîðû ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé òðàíñôîðìàòîðíûå îäíîêàñêàäíûå óñèëèòåëè, ðàáîòàþùèå â êëþ÷åâîì ðåæèìå, ïîëîæèòåëüíàÿ îáðàòíàÿ ñâÿçü â êîòîðûõ ñîçäàåòñÿ ñ ïîìîùüþ èìïóëüñíîãî òðàíñôîðìàòîðà. Ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà áëîêèíã-ãåíåðàòîðà ïðèâåäåíà íà ðèñ. 7.18. Çäåñü íà òðàíçèñòîðå VT âûïîëíåí óñèëèòåëü, ñâÿçü êîòîðîãî ñ íàãðóçêîé îñóùåñòâëÿåòñÿ ñ ïîìîùüþ òðàíñôîðìàòîðà Ò. Ðåçèñòîð R1 ñîçäàåò íà÷àëüíîå ñìåùåíèå, ïðèîòêðûâàþùåå òðàíÐèñ. 7.18
ÃËÀÂÀ 7. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÀÂÒÎÃÅÍÅÐÀÒÎÐÛ
197
çèñòîð. Òðàíñôîðìàòîð èìååò äâå âòîðè÷íûå îáìîòêè: wÁ ïåðåäàåò ÷àñòü ïåðåìåííîãî íàïðÿæåíèÿ â öåïü áàçû òðàíçèñòîðà, ïðè÷åì åå ôàçèðîâêà îòíîñèòåëüíî wÊ òàêîâà (íà ñõåìå ðèñ. 7.18 ïîêàçàíà çíàêàìè íàïðÿæåíèÿ), ÷òî âîçíèêàþùàÿ îáðàòíàÿ ñâÿçü ÿâëÿåòñÿ ïîëîæèòåëüíîé; îáìîòêà wÍ ïðåäíàçíà÷åíà äëÿ ïîäêëþ÷åíèÿ íàãðóçêè RÍ. Ýòà îáìîòêà ìîæåò áûòü êàê ïîâûøàþùåé, òàê è ïîíèæàþùåé, è îïðåäåëÿåòñÿ âåëè÷èíîé íàïðÿæåíèÿ, ôîðìèðóåìîãî íà RÍ. Êîíäåíñàòîð Ñ âðåìÿçàäàþùèé, åãî åìêîñòü îïðåäåëÿåò êàê äëèòåëüíîñòü ôîðìèðóåìûõ èìïóëüñîâ (tÈ), òàê è ïåðèîä èõ ïîâòîðåíèÿ ÒÏ. Ðàññìîòðèì ðàáîòó áëîêèíã-ãåíåðàòîðà, äëÿ ïðîñòîòû ñ÷èòàÿ, ÷òî íàãðóçêà (RÍ) íå îêàçûâàåò âëèÿíèÿ íà ïðîöåññû, ïðîèñõîäÿùèå â íåì, à èñïîëüçóåìûé òðàíçèñòîð èäåàëåí (åãî èíåðöèîííîñòü è îáðàòíûé òîê êîëëåêòîðà ïðåíåáðåæèìî ìàëû). Ïðåäïîëîæèì, ÷òî â èñõîäíîì ñîñòîÿíèè íàïðÿæåíèå uÑ íà êîíäåíñàòîðå Ñ (ðèñ. 7.19,à) ðàâíî íóëþ, òðàíçèñòîð VT çàêðûò è íàïðÿæåíèå íà åãî êîëëåêòîð-ýìèòòåðíîì ïðîìåæóòêå uÊÝ (ðèñ. 7.19,á) áëèçêî ê íàïðÿæåíèþ ïèòàíèÿ ÅÏ. Òàêîå ñîñòîÿíèå â ãåíåðàòîðå âîçíèêàåò ñðàçó ïîñëå âêëþ÷åíèÿ ïèòàíèÿ.  ýòîì ñëó÷àå êîíäåíñàòîð Ñ íà÷èíàåò çàðÿæàòüñÿ îò èñòî÷íèêà ÅÏ ÷åðåç ðåçèñòîð R1. Çíàêè íàðàñòàþùåãî íà íåì íàïðÿæåíèÿ ïîêàçàíû íà ðèñ. 7.18 ñëåâà îò êîíäåíñàòîðà. Ýòî íàïðÿæåíèå ïðèëîæåíî ê ïðîìåæóòêó áàçàýìèòòåð VT (uC = uÁÝ), è êàê òîëüêî îíî äîñòèãíåò ïîðîãà îòêðûâàíèÿ òðàíçèñòîðà uC = uÁÝ = UÏÎÐ (ðèñ. 7.19,â), ïîñëåäíèé ïðèîòêðûâàåòñÿ, è ÷åðåç îáìîòêó wÊ íà÷èíàåò ïðîòåêàòü òîê iL (ðèñ. 7.19,ã), êîòîðûé â ñåðäå÷íèêå ñîçäàåò ìàãíèòíûé ïîòîê. Ïîä äåéñòâèåì åãî âî âòîðè÷íûõ îáìîòêàõ (wÍ è wÁ) òðàíñôîðìàòîðà Ò íàâîäÿòñÿ ñîîòâåòñòâóþùèå ÝÄÑ âçàèìíîé èíäóêöèè, ñîçäàþùèå íà âûâîäàõ ñâîèõ îáìîòîê íàïðÿæåíèÿ, ïðîïîðöèîíàëüíûå ñêîðîñòè èçìåíåíèÿ iL. Íàïðèìåð, íà wÁ âîçíèêàåò íàïðÿæåíèå uÁ = MÁdiL/dt, ãäå MÁ âçàèìíàÿ èíäóêòèâíîñòü îáìîòîê wÁ è wÊ. Ôàçà ôîðìèðóåìîãî ïðè ýòîì íà îáìîòêå wÁ íàïðÿæåíèÿ òàêîâà (çíàêè åãî ìãíîâåííîé ïîëÿðíîñòè ïîêàçàíû ó âûâîäîâ îáìîòêè), ÷òî îáùåå íàïðÿæåíèå íà íåé è êîíäåíñàòîðå óâåëè÷èâàåòñÿ, äîïîëíèòåëüíî óâåëè÷èâàÿ uÁÝ è åùå áîëüøå ïðèîòêðûâàÿ VT. Ýòî ïðèâîäèò ê óâåëè÷åíèþ íàïðÿæåíèÿ, ïðèëîæåííîãî ê wÊ, à çíà÷èò, ñïîñîáñòâóåò âîçðàñòàíèþ iL,
198
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
à
á
â
ã
Ðèñ. 7.19
ÝÄÑ âçàèìíîé èíäóêöèè, íàïðÿæåíèé íà wÁ è ïðîìåæóòêå áàçàýìèòòåð òðàíçèñòîðà uÁÝ (ðèñ. 7.19,â), äîïîëíèòåëüíî îòêðûâàÿ åãî. Âîçíèêàåò ëàâèíîîáðàçíûé ïðîöåññ, â ðåçóëüòàòå êîòîðîãî òðàíçèñòîð VT îòêðûâàåòñÿ ïîëíîñòüþ âïëîòü äî íàñûùåíèÿ. Îäíàêî òîê åãî êîëëåêòîðà ïðè ýòîì íå ìîæåò ìãíîâåííî óâåëè÷èòüñÿ äî ñâîåãî ìàêñèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ. Äåéñòâèòåëüíî, ïðè ïðèëîæåíèè íàïðÿæåíèÿ (â äàííîì ñëó÷àå ÅÏ) ê êàòóøêå èíäóêòèâíîñòè òîê â íåé âîçðàñòàåò íå ìãíîâåííî, à ïîñòåïåííî. Åãî âåëè÷èíà õîðîøî àïïðîêñèìèðóåòñÿ ôóíêöèåé iL = Imax[1 exp (t/tL)], ãäå Imax òîê ÷åðåç êàòóøêó ïî îêîí÷àíèè ïåðåõîäíîãî ïðîöåññà, tL = L/RÏ ïîñòîÿííàÿ âðåìåíè öåïè, âû÷èñëÿåìàÿ êàê îòíîøåíèå L èíäóêòèâíîñòè êàòóøêè ê RÏ ñîïðîòèâëåíèþ ïîòåðü öåïè. Ïîñëåäíåå îïðåäåëÿåòñÿ ñóììîé ñîïðîòèâëåíèé ïðîâîäà îá-
ÃËÀÂÀ 7. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÀÂÒÎÃÅÍÅÐÀÒÎÐÛ
199
ìîòêè wÊ äëÿ ïîñòîÿííîãî òîêà è êîëëåêòîð-ýìèòòåðíîãî ïðîìåæóòêà òðàíçèñòîðà. Êàê ïðàâèëî, tL ? tÈ, ïîýòîìó âî âðåìÿ èìïóëüñà ýòîò òîê (iL = iÊ) âîçðàñòàåò ëèíåéíî, è íàïðÿæåíèå íà îáìîòêå wÁ îñòàåòñÿ íåèçìåííûì. Îíî ÷åðåç îòêðûòûé áàçàýìèòòåðíûé ïåðåõîä VT íà÷èíàåò ñíà÷àëà ðàçðÿæàòü, à çàòåì ïåðåçàðÿæàòü êîíäåíñàòîð. Âîçíèêàþùàÿ â èòîãå ïîëÿðíîñòü íàïðÿæåíèÿ íà íåì óêàçàíà íà ðèñ. 7.18 â ñêîáêàõ.  ýòîì ñëó÷àå ñîïðîòèâëåíèå öåïè ïåðåçàðÿäà (RÐÀÇ) êîíäåíñàòîðà áóäåò â îñíîâíîì îïðåäåëÿòüñÿ ñîïðîòèâëåíèåì ïðîâîäà îáìîòêè wÁ è âõîäíûì ñîïðîòèâëåíèåì òðàíçèñòîðà VT (âåëè÷èíà R1 ? RÐÀÇ è åå âëèÿíèåì ïðåíåáðåãàåì), è ïîñòîÿííàÿ âðåìåíè öåïè ìîæåò áûòü âû÷èñëåíà êàê tÐÀÇ = ÑRÐÀÇ. Ïî ìåðå ïåðåçàðÿäà êîíäåíñàòîðà Ñ íàïðÿæåíèå íà áàçà ýìèòòåðíîì ïåðåõîäå VT, îïðåäåëÿåìîå òåïåðü êàê ðàçíîñòü íàïðÿæåíèé íà îáìîòêå wÁ è êîíäåíñàòîðå Ñ, íà÷èíàåò óìåíüøàòüñÿ, ÷òî âûâîäèò VT ñíà÷àëà èç ñîñòîÿíèÿ ãëóáîêîãî íàñûùåíèÿ, à çàòåì íà÷èíàåò ïðèçàêðûâàòü åãî, îãðàíè÷èâàÿ íàðàñòàíèå òîêà ÷åðåç wÊ. Óìåíüøåíèå ñêîðîñòè íàðàñòàíèÿ iL âûçûâàåò óìåíüøåíèå ìàãíèòíîãî ïîòîêà òðàíñôîðìàòîðà è íàïðÿæåíèÿ, ñîçäàâàåìîãî íà wÁ. Ðàçíîñòü ìåæäó íèì è íàïðÿæåíèåì íà êîíäåíñàòîðå Ñ óìåíüøàåòñÿ, äîïîëíèòåëüíî ïðèçàêðûâàÿ VT, à çíà÷èò, åùå áîëüøå îãðàíè÷èâàÿ íàðàñòàíèå iL. Ïðîèñõîäÿùåå çàìåäëåíèå íàðàñòàíèÿ òîêà iL, ïðåêðàùåíèå íàðàñòàíèÿ, à çàòåì óìåíüøåíèå òîêà ÷åðåç wÊ âûçûâàåò ñîîòâåòñòâåííî óìåíüøåíèå íàïðÿæåíèÿ íà wÁ, äîñòèæåíèÿ èì íóëåâîãî çíà÷åíèÿ, à çàòåì ñìåíû çíàêà íàïðÿæåíèÿ íà ïðîòèâîïîëîæíûé. Ýòî ïðèâîäèò ê çàïèðàíèþ òðàíçèñòîðà è ïîääåðæàíèþ åãî â ýòîì ñîñòîÿíèè. Òîê êîëëåêòîðà VT óìåíüøàåòñÿ äî íóëÿ. Ïðîèñõîäÿùåå óìåíüøåíèå è ïðåêðàùåíèå òîêà iÊ, ïðîòåêàþùåãî ÷åðåç wÊ, âûçûâàåò â ýòîé îáìîòêå ÝÄÑ ñàìîèíäóêöèè ïðîòèâîïîëîæíîé ïîëÿðíîñòè (íà ñõåìå ðèñ. 7.18 ïîêàçàíî â ñêîáêàõ) è îáðàçóåò âñïëåñê íàïðÿæåíèÿ uÊÝ (íà ðèñ. 7.19,á ïîêàçàíî øòðèõàìè). Åãî âåëè÷èíà ìîæåò çíà÷èòåëüíî ïðåâçîéòè íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ è âûçâàòü ñíà÷àëà ýëåêòðè÷åñêèé, à çàòåì è òåïëîâîé ïðîáîé òðàíçèñòîðà. Äëÿ ïðåäîòâðàùåíèÿ ýòîãî ïàðàëëåëüíî îáìîòêå wÊ îáû÷íî ïîäêëþ÷àþò ëèáî îáðàòíîñìåùåííûé äèîä VD, ëèáî ïîñëåäîâàòåëüíî ñîåäèíåííûå äèîä è ðåçèñòîð RØ (íà ñõåìå
200
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
ðèñ. 7.18 îáà ïîêàçàíû øòðèõàìè). Ïðè óêàçàííûõ çíàêàõ íàïðÿæåíèÿ íà wÊ äèîä VD îòêðûâàåòñÿ, è íà íåì è RØ ðàññåèâàåòñÿ çàïàñåííàÿ â wÊ ýíåðãèÿ. Íàêîïëåííîå íà Ñ çàïèðàþùåå íàïðÿæåíèå UÑ max ïðîäîëæàåò ïîääåðæèâàòü òðàíçèñòîð VT â çàêðûòîì ñîñòîÿíèè, è â âûõîäíîì íàïðÿæåíèè ôîðìèðóåòñÿ ïàóçà ìåæäó èìïóëüñàìè. Îäíîâðåìåííî îò èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ ÅÏ ÷åðåç ðåçèñòîð R1 íà÷èíàåò ïðîòåêàòü òîê ïåðåçàðÿäà êîíäåíñàòîðà, êîòîðûé ñíà÷àëà óìåíüøàåò íàïðÿæåíèå íà íåì (ðèñ. 7.19,à), äîâîäÿ åãî äî íóëÿ, à çàòåì ìåíÿåò çíàê íà ïðîòèâîïîëîæíûé. Ïðè äîñòèæåíèè íàïðÿæåíèåì íà Ñ âåëè÷èíû UÏÎÐ ïîðîãà îòêðûâàíèÿ VT, òðàíçèñòîð ïðèîòêðûâàåòñÿ, è âñå ðàññìîòðåííûå ïðîöåññû ïîâòîðÿþòñÿ. Äëÿ íàõîæäåíèÿ ÷èñëåííîãî çíà÷åíèÿ äëèòåëüíîñòè èìïóëüñà è ïåðèîäà åãî ïîâòîðåíèÿ áóäåì, êàê è ðàíüøå, ñ÷èòàòü, ÷òî tL ? tÐÀÇ. Åñëè ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå çàïèðàþùåãî íàïðÿæåíèÿ íà êîíäåíñàòîðå îáîçíà÷èòü UÑ max, òî äëèòåëüíîñòü èìïóëüñà tÈ, îïðåäåëÿåìàÿ âðåìåíåì ïåðåçàðÿäà êîíäåíñàòîðà îò UÏÎÐ äî UÑ max, ìîæåò áûòü íàéäåíà èç óðàâíåíèÿ (7.7), â êîòîðîì âìåñòî ÅÇÀÐ íóæíî ïîäñòàâèòü UÏÎÐ, à âìåñòî ÅÏÅÐ UÑ max. Ïðè UÏÎÐ = UÑ max äëèòåëüíîñòü èìïóëüñà tÈ ìîæåò áûòü îïðåäåëåíà êàê âðåìÿ, â òå÷åíèå êîòîðîãî íàïðÿæåíèå íà êîíäåíñàòîðå èçìåíÿåòñÿ â èíòåðâàëå (00,9) ñâîåãî ìàêñèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ, òî åñòü tÈ » 2,3tÐÀÇ. Êàê ñëåäóåò èç îïèñàíèÿ ðàáîòû áëîêèíã-ãåíåðàòîðà, äëèòåëüíîñòü ïàóçû ìåæäó èìïóëüñàìè áóäåò îïðåäåëÿòüñÿ âðåìåíåì ïåðåçàðÿäà Ñ, ïðîèñõîäÿùèì ïîä äåéñòâèåì íàïðÿæåíèÿ ÅÏ.  ýòîì ñëó÷àå èç òîãî æå óðàâíåíèÿ, ïîäñòàâëÿÿ âìåñòî ÅÇÀÐ âåëè÷èíó UÑ max, à âìåñòî ÅÏÅÐ ïîäñòàâëÿÿ ÅÏ, ïîëó÷èì äëèòåëüíîñòü ïàóçû tÏ = R1Ñ1 ln [(ÅÏ + UÑ max)/(ÅÏ + UÏÎÐ)]. Åñëè, êàê è ðàíüøå, ïðèíÿòü UÏÎÐ = UÑ max, òî ôîðìóëà óïðîùàåòñÿ: tÏ = R1Ñ1 ln (1 + UÑ max/ÅÏ). Ïåðèîä êîëåáàíèÿ, ôîðìèðóåìîãî áëîêèíã-ãåíåðàòîðîì, ÒÏ = tÈ + tÏ. Ïðè tÈ = tÏ, ÒÏ = tÏ. Åñëè ðåçèñòîð R1 ïîäêëþ÷èòü íå ê ÅÏ, à ê îòäåëüíîìó èñòî÷íèêó ÅÁ (íà ñõåìå ðèñ. 7.18 íå ïîêàçàíî) è ìåíÿòü åãî âåëè÷èíó, òî äëèòåëüíîñòü ïàóçû, à çíà÷èò, è ñêâàæíîñòü èìïóëüñà â áëîêèíã-ãåíåðàòîðå áóäóò èçìåíÿòüñÿ. Òàêèå ðåæèìû øèðîêî èñïîëüçóþòñÿ â ñîâðåìåííûõ ðåãóëèðóåìûõ èñòî÷íèêàõ ïèòàíèÿ, â êîòîðûõ èçìåíåíèå âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ îñóùåñòâëÿåòñÿ çà ñ÷åò èçìåíåíèÿ ñêâàæíîñòè ôîð-
ÃËÀÂÀ 7. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÀÂÒÎÃÅÍÅÐÀÒÎÐÛ
201
ìèðóåìîãî êîëåáàíèÿ. Êðàòêîâðåìåííîå ïîäêëþ÷åíèå ÅÁ ïðèâåäåò ê æäóùåìó ðåæèìó ðàáîòû áëîêèíã-ãåíåðàòîðà, êîòîðûé íà÷íåò âûðàáàòûâàòü èìïóëüñû òîëüêî ïðè íàëè÷èè ýòîãî íàïðÿæåíèÿ. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Íàðèñóéòå ïðèíöèïèàëüíóþ ñõåìó àâòîêîëåáàòåëüíîãî áëîêèíã-ãåíåðàòîðà. 2. ×åì ïîääåðæèâàåòñÿ òðàíçèñòîð â çàêðûòîì ñîñòîÿíèè? 3. Ðàññêàæèòå, êàê âîçíèêàåò è ïðîòåêàåò ðåãåíåðàòèâíûé ïðîöåññ. 4. ×åì ïîääåðæèâàåòñÿ òðàíçèñòîð â îòêðûòîì ñîñòîÿíèè? 5. Ïîñòðîéòå ãðàôèêè íàïðÿæåíèé è òîêîâ íà îñíîâíûõ ýëåìåíòàõ áëîêèíã-ãåíåðàòîðà. 6. ×åì îïðåäåëÿåòñÿ äëèòåëüíîñòü èìïóëüñà ãåíåðèðóåìîãî êîëåáàíèÿ? 7. ×åì îïðåäåëÿåòñÿ äëèòåëüíîñòü ïàóçû ãåíåðèðóåìîãî êîëåáàíèÿ? 7.2.5. ÃÅÍÅÐÀÒÎÐÛ ËÈÍÅÉÍÎ ÈÇÌÅÍßÞÙÅÃÎÑß ÍÀÏÐßÆÅÍÈß
Ñëåäóþùèì íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûì âèäîì èìïóëüñíûõ ãåíåðàòîðîâ ÿâëÿþòñÿ ãåíåðàòîðû ëèíåéíî èçìåíÿþùåãîñÿ íàïðÿæåíèÿ (ÃËÈÍ). Îíè íàðÿäó ñ ãåíåðàòîðàìè ëèíåéíî èçìåíÿþùåãîñÿ òîêà ñëóæàò äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ ïèëîîáðàçíîãî êîëåáàíèÿ è èñïîëüçóþòñÿ â ñõåìàõ óïðàâëåíèÿ, ïåðåñòðîéêè ÷àñòîòû, øèðîòíî-èìïóëüñíûõ ìîäóëÿòîðàõ, ñõåìàõ ðàçâåðòêè èçîáðàæåíèÿ è ò. ä. Ñóùåñòâóåò çíà÷èòåëüíîå ÷èñëî âàðèàíòîâ ïîñòðîåíèÿ òàêèõ ãåíåðàòîðîâ, íî íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûå èç íèõ ðàáîòàþò íà îñíîâå çàðÿäà è ðàçðÿäà êîíäåíñàòîðà. Ðàññìîòðèì ïðèíöèï èõ ðåàëèçàöèè. Êàê óæå óêàçûâàëîñü, ìãíîâåííîå íàïðÿæåíèå, ôîðìèðóåìîå íà êîíäåíñàòîðå, ñâÿçàíî ñ ïðîòåêàþùèì ÷åðåç íåãî òîêîì ñîîòíîøåíèåì: 42
1
1 22 2 53 314 615 1
ãäå Ñ åìêîñòü êîíäåíñàòîðà, iÑ(t) ìãíîâåííûé òîê, ïðîòåêàþùèé ÷åðåç êîíäåíñàòîð, â äàííîì ñëó÷àå ýòî òîê åãî çàðÿäà iÑ(t) = iÇ(t), t ìîìåíò âðåìåíè îòñ÷åòà íàïðÿæåíèÿ. Åñëè òîê çàðÿäà êîíäåíñàòîðà ïîñòîÿíåí (iÇ = IÇ = const), òî íàïðÿæåíèå íà íåì uC = IÇ t/Ñ ëèíåéíî çàâèñèò îò âðåìåíè. Ïðè ïðåðûâàíèè çàðÿäà êîíäåíñàòîðà â ìîìåíò îêîí÷àíèÿ
202
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
äëèòåëüíîñòè èìïóëüñà tÈ è ìãíîâåííîì åãî ðàçðÿäå ôîðìà ïîëó÷àþùåãîñÿ íà êîíäåíñàòîðå íàïðÿæåíèÿ áóäåò èäåàëüíî ïèëîîáðàçíîé. Äëÿ ïîääåðæàíèÿ ïîñòîÿííûì òîêà çàðÿäà íåîáõîäèìî èñïîëüçîâàòü ãåíåðàòîð òîêà.  ïðîñòåéøåì ñëó÷àå ýòî ìîæåò áûòü òðàíçèñòîð, ðàáîòàþùèé íà ëèíåéíîì ó÷àñòêå åãî âûõîäíûõ õàðàêòåðèñòèê. Çäåñü òîê êîëëåêòîðà òðàíçèñòîðà ïî÷òè íå çàâèñèò îò íàïðÿæåíèÿ, ïðèëîæåííîãî ê ïðîìåæóòêó êîëëåêòîðýìèòòåð. Ïîýòîìó òðàíçèñòîð ýêâèâàëåíòåí ãåíåðàòîðó òîêà. Îäíàêî íàèáîëåå ÷àñòî çàðÿä êîíäåíñàòîðà îñóùåñòâëÿþò ÷åðåç ðåçèñòîð, ïîäêëþ÷åííûé ê èñòî÷íèêó ïîñòîÿííîãî íàïðÿæåíèÿ ïèòàíèÿ ÅÏ.  ýòîì ñëó÷àå òîê çàðÿäà êîíäåíñàòîðà íå îñòàåòñÿ ïîñòîÿííûì è áëèçîê ê ëèíåéíîìó òîëüêî íà÷àëüíûé ó÷àñòîê íàïðÿæåíèÿ, êîòîðûé è èñïîëüçóåòñÿ â êà÷åñòâå ïèëîîáðàçíîãî íàïðÿæåíèÿ. Ñòåïåíü ïðèáëèæåíèÿ ïîëó÷àþùåãîñÿ êîëåáàíèÿ ê èäåàëüíîé ïðÿìîé îöåíèâàåòñÿ êîýôôèöèåíòîì íåëèíåéíîñòè g, ÷èñëåííîå çíà÷åíèå êîòîðîãî ìîæåò áûòü ðàññ÷èòàíî ïî ôîðìóëå: g = UÂÛÕ max/ÅÇÀÐ, ãäå UÂÛÕ max ìàêñèìàëüíîå íàïðÿæåíèå íà êîíäåíñàòîðå, èñïîëüçóåìîå ïðè ôîðìèðîâàíèè ëèíåéíî-íàðàñòàþùåãî ñèãíàëà; ÅÇÀÐ íàïðÿæåíèå, ïîä äåéñòâèåì êîòîðîãî ïðîèñõîäèò çàðÿä êîíäåíñàòîðà. Êàê óæå óêàçûâàëîñü, ïèëîîáðàçíîå íàïðÿæåíèå ïîëó÷àåòñÿ ïðè ïðåðûâàíèè çàðÿäà â ìîìåíò îêîí÷àíèÿ äëèòåëüíîñòè èìïóëüñà (tÈ) è åãî ìãíîâåííîì ðàçðÿäå. Äëÿ ýòîãî îáû÷íî ïðèìåíÿþò àêòèâíûå ýëåìåíòû (òðàíçèñòîðû, ýëåêòðîííûå ëàìïû è ò. ä.), êîòîðûå èñïîëüçóþò â êëþ÷åâîì ðåæèìå. Íà ðèñ. 7.20,à ïðèâåäåíà ïðîñòåéøàÿ ñõåìà ÃËÈÍ. Çäåñü ðåçèñòîð R1 ïîäàåò íà òðàíçèñòîð VT íà÷àëüíîå ñìåùåíèå, ïîääåðæèâàþùåå åãî â îòêðûòîì è íàñûùåííîì ñîñòîÿíèè. Ïðîìåæóòîê êîëëåêòîðýìèòòåð îòêðûòîãî òðàíçèñòîðà ïîäêëþ÷åí ïàðàëëåëüíî êîíäåíñàòîðó Ñ è ïîääåðæèâàåò íà íåì íàïðÿæåíèå, áëèçêîå ê íóëþ. Åñëè â ìîìåíò âðåìåíè t0 ìåæäó áàçîé è ýìèòòåðîì òðàíçèñòîðà ïîäàòü íàïðÿæåíèå çàïèðàþùåé ïîëÿðíîñòè (uÁÝ íà ðèñ. 7.20,á), òî VT çàêðûâàåòñÿ, è åãî øóíòèðóþùåå äåéñòâèå íà êîíäåíñàòîð ïðåêðàùàåòñÿ. Îò èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ ÅÏ ÷åðåç ðåçèñòîð RÇ íà÷èíàåò ïðîòåêàòü òîê çàðÿäà êîíäåíñàòîðà, è íàïðÿæåíèå íà íåì, ðàâíîå íàïðÿæåíèþ uÊÝ = uÂÛÕ (ðèñ. 7.20,á), íà÷èíàåò âîçðàñòàòü.  ìîìåíò t1 (ðèñ. 7.20,á) èìïóëüñ, çàïèðàþùèé VT, ïðåêðàùàåòñÿ, è òðàíçèñòîð îïÿòü ïåðåõîäèò â îòêðûòîå è íàñûùåííîå ñîñòîÿíèå.
ÃËÀÂÀ 7. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÀÂÒÎÃÅÍÅÐÀÒÎÐÛ
à
203
á
Ðèñ. 7.20
Ìàëîå ñîïðîòèâëåíèå êîëëåêòîð-ýìèòòåðíîãî ïðîìåæóòêà ðàçðÿæàåò êîíäåíñàòîð, è íàïðÿæåíèå íà íåì â èäåàëüíîì ñëó÷àå ìãíîâåííî ïàäàåò äî íóëÿ. Òàêèì îáðàçîì, íà âûõîäå ãåíåðàòîðà îêàçûâàåòñÿ ñôîðìèðîâàííûì ïèëîîáðàçíûé èìïóëüñ íàïðÿæåíèÿ uÊÝ (ðèñ. 7.20,á). Ïðè ïîäà÷å ñëåäóþùåãî çàïèðàþùåãî èìïóëüñà âñå ïðîöåññû ïîâòîðÿþòñÿ. Êàê âèäíî èç (7.5), âåëè÷èíà ëèíåéíîãî ó÷àñòêà çàâèñèò êàê îò tÑ = tÇÀÐ = R3Ñ (ðèñ. 7.20,à), òàê è îò ÅÇÀÐ, â äàííîì ñëó÷àå ðàâíîì ÅÏ. Ïîýòîìó äëÿ ïîâûøåíèÿ ëèíåéíîñòè íàïðÿæåíèå ÅÏ æåëàòåëüíî óâåëè÷èâàòü. Îäíàêî ïðè çíà÷èòåëüíîì åãî óâåëè÷åíèè âîçíèêàåò îïàñíîñòü ïðåâûøåíèÿ íàïðÿæåíèåì êîëëåêòîðýìèòòåð ìàêñèìàëüíî äîïóñòèìîãî çíà÷åíèÿ, îãðàíè÷åííîãî âîçìîæíîñòüþ ïðîáîÿ VT. Äëÿ ïðåäîòâðàùåíèÿ ïðîáîÿ ïðîìåæóòîê êîëëåêòîðýìèòòåð òðàíçèñòîðà ïîäêëþ÷àþò ÷åðåç äèîä VD ê äîïîëíèòåëüíîìó èñòî÷íèêó îïîðíîãî íàïðÿæåíèÿ ÅÎÏ, íàïðÿæåíèå êîòîðîãî ìåíüøå ïðåäåëüíî äîïóñòèìîãî äëÿ äàííîãî òèïà òðàíçèñòîðà.  ýòîì ñëó÷àå, êàê òîëüêî íàïðÿæåíèå uÊÝ ïðåâûñèò âåëè÷èíó ÅÎÏ, äèîä VD îòêðûâàåòñÿ, è òîê ðåçèñòîðà RÇ íà÷èíàåò îòâåòâëÿòüñÿ ÷åðåç íåãî, ïðåêðàùàÿ çàðÿä êîíäåíñàòîðà è óâåëè÷åíèå íàïðÿæåíèÿ íà íåì. Êàê âèäíî, äëèòåëüíîñòü ôîðìèðóåìîãî èìïóëüñà è ïåðèîä åãî ïîâòîðåíèÿ îïðåäåëÿþòñÿ äëèòåëüíîñòüþ è ïåðèîäè÷íîñòüþ íàïðÿæåíèÿ çàïèðàíèÿ, ïîäàâàåìîãî íà âõîä òðàíçèñòîðà. Åãî ôîðìèðóþò, îáû÷íî èñïîëüçóÿ ìóëüòèâèáðàòîðû èëè áëîêèíããåíåðàòîðû. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Íàðèñóéòå ïðèíöèïèàëüíóþ ñõåìó ãåíåðàòîðà ëèíåéíî èçìåíÿþùåãîñÿ íàïðÿæåíèÿ. 2. Ðàññêàæèòå, êàê ðàáîòàåò ÃËÈÍ. 3. Ïîñòðîéòå è îáúÿñíèòå ãðàôèê íàïðÿæåíèÿ íà êîíäåíñàòîðå. 4. ×åì îïðåäåëÿåòñÿ äëèòåëüíîñòü ôðîíòà ãåíåðèðóåìîãî èìïóëüñà?
ÃËÀÂÀ ÂÎÑÜÌÀß
ÊÀÍÀË ÑÂßÇÈ
8.1. ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊÈ ÊÀÍÀËÀ ÑÂßÇÈ
Îñíîâíîé çàäà÷åé ðàäèîòåõíèêè ÿâëÿåòñÿ ïåðåäà÷à ñîîáùå-
íèé íà ðàññòîÿíèÿ, èõ ïðèåì è âîñïðîèçâåäåíèå. Ñîîáùåíèÿ ìîãóò áûòü ðàçëè÷íûìè: çâóêîâûìè, òåëåâèçèîííûìè, ïðåäñòàâëÿòü ñîáîé íàáîð äàííûõ è òàê äàëåå. Äëÿ èõ ïåðåäà÷è èñïîëüçóþò êàíàë ñâÿçè ñîâîêóïíîñòü òåõíè÷åñêèõ ñðåäñòâ è ôèçè÷åñêîé ñðåäû ðàñïðîñòðàíåíèÿ, â êîòîðîé ñèãíàëû, îòîáðàæàþùèå ïåðåäàâàåìóþ èíôîðìàöèþ, ðàñïðîñòðàíÿþòñÿ îò åå èñòî÷íèêà ê åå ïîëó÷àòåëþ. Ñóùåñòâóåò ðàçâåòâëåííàÿ ñèñòåìà êëàññèôèêàöèè êàíàëîâ ñâÿçè (èëè òåëåêîììóíèêàöèé). Îíè ðàçäåëÿþòñÿ: ïî âèäó ïåðåäàâàåìûõ ñîîáùåíèé êàíàëû ýëåêòðîñâÿçè (ïåðåäà÷è è ïðèåìà ñèãíàëîâ, îòîáðàæàþùèõ çâóêè, èçîáðàæåíèÿ, ïèñüìåííûé òåêñò, çíàêè èëè ñîîáùåíèÿ ëþáîãî ðîäà ïî ýëåêòðîìàãíèòíûì ñèñòåìàì), êàíàëû ïåðåäà÷è äàííûõ, òåëåìåòðè÷åñêèå è ò. ä.; ïî âèäó ñðåäû ðàñïðîñòðàíåíèÿ êàíàëû ðàäèîñâÿçè, ïðîâîäíîé, ãèäðîàêóñòè÷åñêîé ñâÿçè, îïòèêî-ýëåêòðîííûå êàíàëû; ïî õàðàêòåðó ñèãíàëîâ íà âõîäå è âûõîäå êàíàëîâ íåïðåðûâíûé (àíàëîãîâûé) êàíàë (íà âõîäå è âûõîäå êîòîðîãî ñèãíàëû èìåþò íåïðåðûâíûé âèä), äèñêðåòíûé (öèôðîâîé) êàíàë (ïðè öèôðîâûõ ñèãíàëàõ) è äèñêðåòíî-íåïðåðûâíûå èëè ïîëóíåïðåðûâíûå êàíàëû (íà âõîäå êîòîðûõ äåéñòâóåò äèñêðåòíûé, à íà âûõîäå íåïðåðûâíûé ñèãíàëû); è äðóãèì ïðèçíàêàì. Îäíèì èç âàæíûõ ïðèçíàêîâ êàíàëîâ ÿâëÿåòñÿ äèàïàçîí èñïîëüçóåìûõ â íèõ ÷àñòîò. Íàïðèìåð, â êàíàëàõ ðàäèîñâÿçè åãî ãðàíèöû ñîñòàâëÿþò 3 × 103
3 × 1012 Ãö, è âåñü äèàïàçîí ðàäèî÷àñòîò äåëèòñÿ íà 9 ïîääèàïàçîíîâ (òàáë. 1). Íàïîìíèì, ÷òî äëèíà âîëíû l ñâÿçàíà ñ ïåðèîäîì êîëåáàíèÿ Ò (èëè ÷àñòîòîé f = 1/Ò) ñîîòíîøåíèåì l = ñ × Ò = ñ/f, ãäå ñ = 3 × 108 ì/ñ ñêîðîñòü ðàñïðîñòðàíåíèÿ ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí â âàêóóìå.
205
ÃËÀÂÀ 8. ÊÀÍÀË ÑÂßÇÈ
Ñâÿçü ìîæåò áûòü îäíîñòîðîííåé, êîãäà èíôîðìàöèÿ ïåðåäàåòñÿ òîëüêî â îäíîì íàïðàâëåíèè (ñèñòåìû îïîâåùåíèÿ, èçìåðåíèÿ, óïðàâëåíèÿ, ïåéäæåðíàÿ ñâÿçü è ò. ä.) èëè äâóõñòîðîííåé. Ïîñëåäíÿÿ íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåíà, òàê êàê ïîçâîëÿåò îïåðàòèâíî îáìåíèâàòüñÿ ñîîáùåíèÿìè.  ýòîì ñëó÷àå ó êàæäîãî èç àáîíåíòîâ èìååòñÿ ïðèåìíèê è ïåðåäàò÷èê. Åñëè äëÿ îðãàíèçàöèè äâóõñòîðîííåé ñâÿçè ìåæäó êîððåñïîíäåíòàìè ïåðåäà÷à è ïðèåì íà êàæäîé ðàäèîñòàíöèè îñóùåñòâëÿåòñÿ ïîî÷åðåäíî, òî òàêàÿ ñâÿçü íàçûâàåòñÿ ñèìïëåêñíîé. Åñëè ïðèåìíèê êàæäîãî èç àáîíåíòîâ ñ ïîìîùüþ ëèíèè ñâÿçè ñîåäèíåí ñ ïåðåäàò÷èêîì äðóãîãî ïîñòîÿííî, è ó êîððåñïîíäåíòîâ èìååòñÿ âîçìîæíîñòü îäíîâðåìåííîãî ðàäèîïðèåìà è ïåðåäà÷è ñîîáùåíèé, òî òàêàÿ ñâÿçü íàçûâàåòñÿ äóïëåêñíîé.  ýòîì ñëó÷àå ïåðåäàò÷èê è ïðèåìíèê ó êàæäîãî èç êîððåñïîíäåíòîâ ðàáîòàþò íà ðàçíûõ ÷àñòîòàõ, îäíàêî äëÿ îðãàíèçàöèè òàêîé ñâÿçè ïðèìåíåíèå äâóõ àíòåíí íåîáÿçàòåëüíî: ÷àñòî íåñóùèå ÷àñòîòû ïåðåäàò÷èêà è ïðèåìíèêà îòëè÷àþòñÿ ñðàâíèòåëüíî ìàëî, è ìîæåò áûòü èñïîëüçîâàíà îäíà àíòåííà. 1234562787
1234456573859
53 3 3 5 34
35 35
53 3 3 2
253
2 1
35 35
53 3 3 34
34 3
7 2359 1
1234567899 3 1
39 9883
!"
7899 3
883
!"
1436983 1
1436983 1
!"
# 4 83 #
83
$!"
%74 4 83&
34 2 3 $
39 2 83
$!"
63"834 2 3 $
%742 83 %
$!"
9834 2 3 1$
123452 83 1
!!"
877834 2 3 $$
#4'93 2 83 #
63"887783( 4 2 3 $$
)
!8*342 83 !
!!" !!+
206
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
1. 2. 3. 4.
×òî íàçûâàåòñÿ êàíàëîì ñâÿçè? Ðàññêàæèòå î ñóùåñòâóþùåé êëàññèôèêàöèè êàíàëîâ. Êàêîé äèàïàçîí ÷àñòîò èñïîëüçóåòñÿ â ðàäèîñâÿçè? Êàêàÿ ñâÿçü íàçûâàåòñÿ îäíîñòîðîííåé, äâóõñòîðîííåé, ñèìïëåêñíîé, äóïëåêñíîé?
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ
8.2. ÑÒÐÓÊÒÓÐÍÀß ÑÕÅÌÀ ÐÀÄÈÎÑÂßÇÈ Îäíèì èç íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûõ âèäîâ ñâÿçè ÿâëÿåòñÿ ðàäèîñâÿçü, èñïîëüçóþùàÿ ðàäèîâîëíû äëÿ ïåðåäà÷è ñèãíàëîâ ýëåêòðîñâÿçè. Îíà ïðèìåíÿåòñÿ äëÿ ïåðåäà÷è ñîîáùåíèé íà áîëüøèå ðàññòîÿíèÿ êàê íåïîñðåäñòâåííî îò ïåðåäàò÷èêà ê ïðèåìíèêó, òàê è ñ ïîìîùüþ ðàäèîðåëåéíûõ ëèíèé ñèñòåìû ìàëîìîùíûõ ðåòðàíñëÿòîðîâ (ïðèåìî-ïåðåäàò÷èêîâ), ïðèíèìàþùèõ ñîîáùåíèÿ îò ïðåäûäóùåé ñòàíöèè è ïåðåäàþùèõ èõ ïîñëåäóþùåé. Óïðîùåííàÿ ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà ðàäèîñâÿçè ìîæåò áûòü ïðåäñòàâëåíà â âèäå òðåõ îñíîâíûõ êîìïîíåíòîâ ðàäèîïåðåäàþùåãî óñòðîéñòâà, ëèíèè ñâÿçè è ðàäèîïðèåìíîãî óñòðîéñòâà (ðèñ. 8.1). Ðàññìîòðèì èõ ïîäðîáíåå. Óñòðîéñòâî, ïðåäíàçíà÷åííîå äëÿ ïåðåäà÷è ñîîáùåíèé ñ ïîìîùüþ ðàäèîâîëí, íàçûâàåòñÿ ðàäèîïåðåäàò÷èêîì. Ïðè ïîñòðîåíèè åãî ñòðóêòóðíîé ñõåìû ðóêîâîäñòâóþòñÿ ôèçèîëîãè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè ÷åëîâåêà. ×åëîâå÷åñêèå îðãàíû ÷óâñòâ ïîçâîëÿþò ïåðåäàâàòü è ïðèíèìàòü ñîîáùåíèÿ (ãîâîðèòü è ñëóøàòü) ëèøü íà î÷åíü íåáîëüøîì ðàññòîÿíèè. Ýòî ñâÿçàíî ñ áûñòðûì çàòóõàíèåì â àòìîñôåðå êîëåáàíèé çâóêîâûõ ÷àñ-
Ðèñ. 8.1
ÃËÀÂÀ 8. ÊÀÍÀË ÑÂßÇÈ
207
òîò, à ÷åëîâå÷åñêîå óõî èìååò ïîðîã ñëûøèìîñòè, íèæå êîòîðîãî çâóêè íå âîñïðèíèìàþòñÿ. Èç ôèçèêè èçâåñòíî, ÷òî íà äàëüíîñòü ðàñïðîñòðàíåíèÿ êîëåáàíèé ñèëüíî âëèÿåò èõ ÷àñòîòà, óâåëè÷åíèå êîòîðîé ïîçâîëÿåò ïåðåäàâàòü ñèãíàëû íà áîëüøåå ðàññòîÿíèå ñ ìåíüøèìè ïîòåðÿìè. Îäíàêî â ýòîì ñëó÷àå êîëåáàíèÿ âûõîäÿò çà ïðåäåëû çâóêîâîãî äèàïàçîíà, è ÷åëîâå÷åñêîå óõî èõ óæå íå ñëûøèò. Ïîýòîìó äëÿ ýôôåêòèâíîé ïåðåäà÷è ñîîáùåíèé öåëåñîîáðàçíî ñîâìåñòèòü õîðîøóþ ïåðåäàòî÷íóþ ñïîñîáíîñòü âûñîêî÷àñòîòíîãî êîëåáàíèÿ ñ ïîëåçíûì ñèãíàëîì, òî åñòü èñïîëüçîâàòü ïåðâîå â êà÷åñòâå ïåðåíîñ÷èêà âòîðîãî. Äëÿ ýòîãî îäèí èç ïàðàìåòðîâ êîëåáàíèÿ (íàçûâàåìîãî íåñóùèì) èçìåíÿþò ïðîïîðöèîíàëüíî ñèãíàëó ñîîáùåíèÿ. Òàêîé ïðîöåññ íàçûâàþò ìîäóëÿöèåé, à óñòðîéñòâî äëÿ ïðåîáðàçîâàíèÿ ìîäóëÿòîðîì.  íàñòîÿùåå âðåìÿ íå âñåãäà ñèãíàë ñîîáùåíèÿ ïîäàåòñÿ íåïîñðåäñòâåííî íà ìîäóëÿòîð. ×àñòî äëÿ ïîâûøåíèÿ ïîìåõîóñòîé÷èâîñòè è óïðîùåíèÿ îáðàáîòêè èñõîäíîå íåïðåðûâíîå êîëåáàíèå ïðåîáðàçóþò â öèôðîâîé âèä, à çàòåì ñ öåëüþ óìåíüøåíèÿ çàíèìàåìîé ïîëîñû ÷àñòîò è ïîâûøåíèÿ áåçîøèáî÷íîñòè âîññòàíîâëåíèÿ êîëåáàíèÿ åãî êîäèðóþò. Äëÿ ýòîãî â ðàäèîïåðåäàò÷èê ââîäÿò êîäåð (íà ðèñ. 8.1 ïîêàçàíî øòðèõàìè). Êîäèðîâàíèå ìîæåò ïðîèñõîäèòü ðàçëè÷íûìè ñïîñîáàìè. Íàïðèìåð, îäíèì èç ñïîñîáîâ ÿâëÿåòñÿ ïðåäñòàâëåíèå öèôðîâîãî ñèãíàëà äèôôåðåíöèàëüíîé èìïóëüñíî-êîäîâîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòüþ, ïðè êîòîðîé â ñèãíàëå ïåðåäàþò íå çíà÷åíèÿ âñåõ åãî îòñ÷åòíûõ òî÷åê, à ðàçíîñòü ìåæäó ïîñëåäóþùèì è ïðåäûäóùèì èõ çíà÷åíèåì.  ýòîì ñëó÷àå ëèøü ïåðâîå çíà÷åíèå îòñ÷åòíîé òî÷êè ïåðåäàþò ïîëíîñòüþ, âìåñòî âòîðîãî ïåðåäàþò ðàçíîñòü ìåæäó âòîðîé è ïåðâîé îòñ÷åòíûìè òî÷êàìè, âìåñòî òðåòüåé ðàçíîñòü ìåæäó òðåòüåé è âòîðîé îòñ÷åòíûìè òî÷êàìè è ò. ä. Ýòî ïðèâîäèò ê çíà÷èòåëüíîìó ñíèæåíèþ òðåáóåìîé ñêîðîñòè öèôðîâîé ïåðåäà÷è è óìåíüøåíèþ íåîáõîäèìîé ïîëîñû ïðîïóñêàíèÿ. Ïðè âîññòàíîâëåíèè ñèãíàëà â äåêîäåðå çíà÷åíèå âòîðîé îòñ÷åòíîé òî÷êè ïîëó÷àþò ñëîæåíèåì çíà÷åíèÿ ïåðâîé îòñ÷åòíîé òî÷êè è ïåðåäàííîé ðàçíîñòè, òðåòüåé ñëîæåíèåì çíà÷åíèÿ âòîðîé îòñ÷åòíîé òî÷êè è ñëåäóþùåé ðàçíîñòè è ò. ä. Êðîìå òîãî, ïðè êîäèðîâàíèè îäíîâðåìåííî ñ ñîîáùåíèåì, êàê ïðàâèëî, ïåðåäàþò ñëóæåáíûå ñèãíàëû, ïîçâîëÿþùèå, íàïðèìåð, èñïðàâëÿòü ïðè ïðèåìå âîçíèêàþùèå îøèáêè.
208
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
Êðîìå ìîäóëÿòîðà è êîäåðà ðàäèîïåðåäàò÷èê äîëæåí âêëþ÷àòü â ñåáÿ áëîê ïðåîáðàçîâàíèÿ ñîîáùåíèÿ (íàïðèìåð, àêóñòè÷åñêîãî ñèãíàëà ðå÷è, ìóçûêè) â ýëåêòðè÷åñêèé ñèãíàë, êîòîðûé ìîæåò áûòü ïðåäñòàâëåí â àíàëîãîâîì èëè öèôðîâîì âèäå (íà ðèñ. 8.1 ýòîò áëîê îáîçíà÷åí êàê «Èñòî÷íèê ñèãíàëà»); ãåíåðàòîð ôîðìèðîâàíèÿ êîëåáàíèÿ íåñóùåé ÷àñòîòû «Ãåíåðàòîð»; óñèëèòåëü ìîùíîñòè ðàäèî÷àñòîòíîãî äèàïàçîíà «ÓÌ» è ïåðåäàþùóþ àíòåííó. Ëèíèÿ ñâÿçè ýòî ñðåäà, êîòîðàÿ ñâÿçûâàåò ðàäèîïåðåäàþùåå è ðàäèîïðèåìíîå óñòðîéñòâà.  êà÷åñòâå åå ìîæåò èñïîëüçîâàòüñÿ àòìîñôåðà, îïòîâîëîêîííûé èëè âûñîêî÷àñòîòíûé êàáåëü, ïðîâîä è ò. ä. Çàäà÷åé ðàäèîïðèåìíîãî óñòðîéñòâà (ðàäèîïðèåìíèêà) ÿâëÿåòñÿ ïîëó÷åíèå è âîññòàíîâëåíèå èñõîäíîãî ñîîáùåíèÿ. Äëÿ ýòîãî ïðèíèìàåìûé ñèãíàë íóæíî îòäåëèòü îò äðóãèõ, ÷òî âûïîëíÿåòñÿ ñ ïîìîùüþ âõîäíîãî ïîëîñîâîãî ôèëüòðà, íàçûâàåìîãî ïðåñåëåêòîðîì («Ôèëüòð» íà ðèñ. 8.1). Çàòåì êîëåáàíèå óñèëèâàåòñÿ â óñèëèòåëå ðàäèî÷àñòîòû «ÓÐ×», äîñòèãàÿ çíà÷åíèé, íåîáõîäèìûõ äëÿ ïðàâèëüíîãî âîññòàíîâëåíèÿ ñèãíàëà ñîîáùåíèÿ. Ïîñëåäíåå ïðîèñõîäèò â äåìîäóëÿòîðå (äåòåêòîðå) è ïðè íåîáõîäèìîñòè â äåêîäåðå. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ òðåáóåìîé ìîùíîñòè âûõîäíîãî êîëåáàíèÿ èñïîëüçóåòñÿ óñèëèòåëü çâóêîâûõ ÷àñòîò «ÓÇ×», ïîñëå ÷åãî îí âûäåëÿåòñÿ â íàãðóçêå «RÍ», íàïðèìåð, ãðîìêîãîâîðèòåëå, ñ ïîìîùüþ êîòîðîãî ýëåêòðè÷åñêèé ñèãíàë ïðåîáðàçóåòñÿ â àêóñòè÷åñêèé. Äëÿ îáåñïå÷åíèÿ îïåðàòèâíîé ñâÿçè ÷àñòî ïðèåìíèê è ïåðåäàò÷èê îáúåäèíÿþò â îäíîì êîðïóñå è èñïîëüçóþò äëÿ íèõ îáùóþ àíòåííó, íàïðèìåð, òàê ñäåëàíî â ðàäèîòåëåôîíå.  ýòîì ñëó÷àå ïåðåäàò÷èê ïîäêëþ÷àåòñÿ ê àíòåííå äëÿ èçëó÷åíèÿ êîëåáàíèÿ òîëüêî íà òå èíòåðâàëû âðåìåíè, êîãäà àáîíåíò ãîâîðèò. Ýòî ïîçâîëÿåò ñíèçèòü ïîìåõè â ðàáîòå, êàê ñîáñòâåííîãî ðàäèîïðèåìíîãî óñòðîéñòâà, òàê è äðóãèõ, âõîäÿùèõ â ñîñòàâ èíûõ ðàäèîòåëåôîíîâ. Äëÿ îáåñïå÷åíèÿ óñòîé÷èâîé ñâÿçè ñîâìåñòíî ðàáîòàþùèå ïåðåäàò÷èê è ïðèåìíèê ìîãóò èñïîëüçîâàòü íåñêîëüêî ôèêñèðîâàííûõ ÷àñòîò, íà êîòîðûå îíè ïåðåêëþ÷àþòñÿ àâòîìàòè÷åñêè â çàâèñèìîñòè îò óðîâíÿ ïðèíèìàåìîãî ñèãíàëà. Åãî âåëè÷èíó îöåíèâàåò áàçîâàÿ ñòàíöèÿ. Äëÿ êîíòðîëÿ è ïåðåêëþ÷åíèÿ òîæå ïðèìåíÿþòñÿ ñëóæåáíûå óïðàâëÿþùèå ñèãíàëû, êîòîðûå ïåðåäàþòñÿ ÷åðåç ðàäèîòåëåôîí âìåñòå ñ ðå÷å-
ÃËÀÂÀ 8. ÊÀÍÀË ÑÂßÇÈ
209
âûì ñèãíàëîì. Ïðè èñïîëüçîâàíèè ðàäèîòåëåôîíîâ â ñîñòàâå ñîòîâûõ ñåòåé èõ ïðèåìî-ïåðåäàò÷èê ðàáîòàåò äàæå òîãäà, êîãäà àáîíåíò íå ðàçãîâàðèâàåò. Ýòî ñâÿçàíî ñî ñëåæåíèåì çà «ïåðåõîäîì» òåëåôîíà èç îäíîé ñîòû â äðóãóþ è åãî ðåãèñòðàöèåé òàì. Âñÿ ýòà ñëóæåáíàÿ èíôîðìàöèÿ çàìåøèâàåòñÿ â ñèãíàë ñîîáùåíèÿ â êîäåðå êàíàëà. Ïðèåìî-ïåðåäàò÷èêè, ðàáîòàþùèå â äèàïàçîíàõ ðàäèîñâÿçè, íàçûâàþòñÿ òðàíñèâåðàìè. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Íàðèñóéòå ñòðóêòóðíóþ ñõåìó ðàäèîñâÿçè, îáúÿñíèòå íàçíà÷åíèå åå ýëåìåíòîâ. 2. Íàðèñóéòå ñòðóêòóðíóþ ñõåìó ðàäèîïåðåäàò÷èêà. Êàêèå ôóíêöèè âûïîëíÿþò âõîäÿùèå â íåå áëîêè? 3. Íàðèñóéòå ñòðóêòóðíóþ ñõåìó ðàäèîïðèåìíèêà, ðàññêàæèòå î íàçíà÷åíèè âõîäÿùèõ â íåå ýëåìåíòîâ.
8.3. ÏÐÅÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈÅ ÑÏÅÊÒÐΠÑÈÃÍÀËΠÄëÿ ýôôåêòèâíîé ïåðåäà÷è ñèãíàëà ñîîáùåíèÿ ïî êàíàëó ðàäèîñâÿçè åãî ïîäâåðãàþò ïðåîáðàçîâàíèþ, ÷àñòî íåîäíîêðàòíîìó, ÷òî ñâÿçàíî ñ èñïîëüçîâàíèåì äîñòîèíñòâ, ïðèñóùèõ êîëåáàíèÿì ðàçëè÷íûõ ÷àñòîò. Íàïðèìåð, êðîìå ìîäóëÿöèè íåñóùåãî êîëåáàíèÿ äëÿ óëó÷øåíèÿ ñåëåêöèè ñèãíàëîâ ïðèìåíÿþò èõ ïðåîáðàçîâàíèå â ïðîìåæóòî÷íóþ ÷àñòîòó; äëÿ âîññòàíîâëåíèÿ ïåðåäàííîãî ñîîáùåíèÿ (ïåðåíîñà ìîäóëèðîâàííîãî ñèãíàëà â èñõîäíûé ÷àñòîòíûé äèàïàçîí) äåìîäóëÿöèþ è ò. ä. Âî âñåõ ýòèõ ñëó÷àÿõ ïðîèñõîäèò ïðåîáðàçîâàíèå ñïåêòðà êîëåáàíèÿ, ïîÿâëåíèå â íåì ñîñòàâëÿþùèõ, êîòîðûõ íå áûëî äî ïðåîáðàçîâàíèÿ. Îäíàêî îñíîâíûì óñëîâèåì âñåõ ïðîâîäèìûõ èçìåíåíèé ÿâëÿåòñÿ íåîáõîäèìîñòü ñîõðàíåíèÿ â ñèãíàëå â òîì èëè èíîì âèäå ñîñòàâëÿþùèõ èñõîäíîãî ñîîáùåíèÿ. Ðàññìîòðèì íåêîòîðûå èç ïðåîáðàçîâàíèé. 8.3.1. ÌÎÄÓËßÖÈß ÑÈÃÍÀËÎÂ
Êàê óæå óêàçûâàëîñü, ìîäóëÿöèåé íàçûâàåòñÿ ïðîöåññ èçìåíåíèÿ îäíîãî èëè íåñêîëüêèõ ïàðàìåòðîâ íåñóùåãî âûñîêî÷àñòîòíîãî êîëåáàíèÿ â ñîîòâåòñòâèè ñ èçìåíåíèåì ïàðàìåòðîâ ïåðåäàâàåìîãî ñèãíàëà.  êà÷åñòâå íåñóùåãî îáû÷íî
210 à
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
á
â
Ðèñ. 8.2
èñïîëüçóåòñÿ ãàðìîíè÷åñêîå êîëåáàíèå, êîòîðîå õàðàêòåðèçóåòñÿ òðåìÿ ïàðàìåòðàìè àìïëèòóäîé, ÷àñòîòîé è ôàçîé. Åñëè ïðîïîðöèîíàëüíî ïåðåäàâàåìîìó ñèãíàëó èçìåíÿåòñÿ àìïëèòóäà, òî ðåçóëüòèðóþùèé ñèãíàë íàçûâàåòñÿ àìïëèòóäíî-ìîäóëèðîâàííûì (ÀÌ) ðèñ. 8.2,à, åñëè ÷àñòîòà ÷àñòîòíî-ìîäóëèðîâàííûì (×Ì) ðèñ. 8.2,á, åñëè ôàçà òî ôàçîìîäóëèðîâàííûì (ÔÌ). Ïðè÷åì â ðàññìàòðèâàåìûõ ñëó÷àÿõ ïðè èçìåíåíèè ëþáîãî èç óêàçàííûõ ïàðàìåòðîâ äâà äðóãèõ îñòàþòñÿ íåèçìåííûìè. ×àñòîòíàÿ ìîäóëÿöèÿ òåñíî ñâÿçàíà ñ ôàçîâîé, òàê êàê ÷àñòîòà êîëåáàíèÿ ýòî ñêîðîñòü èçìåíåíèÿ åãî ôàçû, ïîýòîìó âìåñòî ÔÌ îáû÷íî èñïîëüçóþò ôàçîâóþ ìàíèïóëÿöèþ, ïðè êîòîðîé ôàçà ñèãíàëà èçìåíÿåòñÿ ñêà÷êàìè íà 180° (ðèñ. 8.2,â). Ðàññìîòðèì àìïëèòóäíóþ è ÷àñòîòíóþ ìîäóëÿöèþ êàê íàèáîëåå øèðîêî èñïîëüçóåìûå âèäû ìîäóëÿöèè. 8.3.1.1. ÀÌÏËÈÒÓÄÍÎ-ÌÎÄÓËÈÐÎÂÀÍÍÛÅ ÑÈÃÍÀËÛ
Àìïëèòóäíàÿ ìîäóëÿöèÿ (ÀÌ) ÿâëÿåòñÿ íàèáîëåå ïðîñòûì è ðàñïðîñòðàíåííûì ñïîñîáîì ïåðåäà÷è ñîîáùåíèé. Ðàññìîòðèì åå îñîáåííîñòè, äëÿ ïðîñòîòû ñ÷èòàÿ, ÷òî â êà÷åñòâå íåñóùåãî èñïîëüçóåòñÿ êîëåáàíèå uÍÅÑ(t) = UÍÅÑ cos wÍt, à â êà÷åñòâå ìîäóëèðóþùåãî ñèãíàëà (ñèãíàëà ñîîáùåíèÿ) uÑ(t) = UÑ cos Wt (ðèñ. 8.3).  ðåçóëüòèðóþùåì ÀÌ ñèãíàëå àìïëèòóäà íåñóùåãî êîëåáàíèÿ èçìåíÿåòñÿ ïðîïîðöèîíàëüíî ñèãíàëó ñîîáùåíèÿ UÀÌ = UÍÅÑ + UÑ cos Wt, è ìãíîâåííîå çíà÷åíèå ìîäóëèðîâàííîãî êîëåáàíèÿ ìîæåò áûòü íàéäåíî ïî ôîðìóëå uÀÌ(t) = = UÀÌ cos wÍt.  ýòîì ñëó÷àå: uÀÌ(t) = (UÍÅÑ + UÑ cos Wt) cos wÍt = = UÍÅÑ(1 + m cos Wt) cos wÍt, (8.1)
211
ÃËÀÂÀ 8. ÊÀÍÀË ÑÂßÇÈ
ãäå m = UÑ/UÍÅÑ êîýôôèöèåíò ãëóáèíû ìîäóëÿöèè, ïîêàçûâàþùèé, âî ñêîëüêî ðàç ðàçëè÷àþòñÿ àìïëèòóäû ñèãíàëîâ ñîîáùåíèÿ è íåñóùåãî êîëåáàíèÿ. Âèä ÀÌ êîëåáàíèÿ ïîêàçàí íà ðèñ. 8.3,à, ïðè÷åì åãî íà÷àëüíûå ïåðèîäû ïîêàçàíû íåìîäóëèðîâàííûìè. Íà ðèñ. 8.3,à âèäíî, ÷òî ñèãíàë, ìîäóëèðîâàííûé ïî àìïëèòóäå, ñèììåòðè÷åí, è äëÿ íåãî 0 £ m £ 1, òàê êàê àìïëèòóäà ìîäóëèðóþùåãî êîëåáàíèÿ íå ìîæåò áûòü áîëüøå àìïëèòóäû íåñóùåãî, òî åñòü ïåðåõîäèòü çà åãî ëèíèþ íóëÿ. Íàëè÷èå â ÀÌ êîëåáàíèè ïåðèîäè÷åñêîãî èçìåíåíèÿ àìïëèòóäû ïîêàçûâàåò, ÷òî ñïåêòð òàêîãî ñèãíàëà óæå íå ìîæåò áûòü ïðåäñòàâëåí îäíîé ñîñòàâëÿþùåé, à çíà÷èò, ñèãíàë ñ ÀÌ çàíèìàåò îïðåäåëåííûé ó÷àñòîê ÷àñòîòíîãî äèàïàçîíà, òî åñòü åãî ïåðåäà÷à òðåáóåò íåêîòîðîé ïîëîñû ÷àñòîò. Äëÿ åå íàõîæäåíèÿ âûïîëíèì â (8.1) òðèãîíîìåòðè÷åñêèå ïðåîáðàçîâàíèÿ è â ðåçóëüòàòå ïîëó÷èì:
2126378 1 84345 9 21 3 3 1 623 3 473 3
1 3 621 5 473
(8.2)
Îòñþäà ñëåäóåò, ÷òî ÀÌ ñèãíàë ñîñòîèò èç òðåõ ãàðìîíè÷åñêèõ êîëåáàíèé: ñ ÷àñòîòîé íåñóùåé (wÍ), âåðõíåé (wÍ + W) è íèæíåé (wÍ W) áîêîâûõ, èìåþùèõ àìïëèòóäû, êîòîðûå ñîñòàâëÿþò m/2 îò àìïëèòóäû íåñóùåãî êîëåáàíèÿ (ðèñ. 8.3,á). Åñëè ìîäóëÿöèÿ ïðîèñõîäèò ñëîæíûì ñèãíàëîì, ïðåäñòàâëåííûì ñóììîé ãàðìîíè÷åñêèõ êîëåáàíèé, ìàêñèìàëüíàÿ ÷àñòîòà êîòîðûõ ðàâíà Wmax, òî ñïåêòð ÀÌ ñèãíàëà çàíèìàåò äèàïàçîí ÷àñòîò îò (wÍ Wmax) äî (wÍ + Wmax), òî åñòü ïîëîñà ÷àñòîò, à
á
Ðèñ. 8.3
212
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
íåîáõîäèìàÿ äëÿ íåèñêàæåííîé ïåðåäà÷è ñîîáùåíèÿ, ñîñòàâëÿåò ÏÀÌ = 2Wmax. Èçâåñòíî, ÷òî â ðàäèîâåùàòåëüíîì ñèãíàëå äëÿ óäîâëåòâîðèòåëüíîãî êà÷åñòâà åãî âîñïðîèçâåäåíèÿ ìîæíî âåðõíþþ ÷àñòîòó îãðàíè÷èòü 4,5 êÃö (à ïðè ïåðåäà÷å ðå÷è ïî òåëåôîíó äàæå 3,4 êÃö).  ýòîì ñëó÷àå ïîëîñà ÷àñòîò, íåîáõîäèìàÿ äëÿ ïåðåäà÷è òàêîãî ñîîáùåíèÿ ñ ïîìîùüþ ÀÌ, ñîñòàâèò ÏÀÌ = 9 êÃö. Èìåííî îíà âûäåëÿåòñÿ äëÿ îðãàíèçàöèè îäíîãî ðàäèîêàíàëà â äèàïàçîíàõ ÄÂ, Ñ è ÊÂ. Ñïåêòð ìóçûêàëüíîãî ñèãíàëà â îñíîâíîì ñîñðåäîòî÷åí â ïîëîñå ÷àñòîò 10 êÃö, à ïðè âûñîêîêà÷åñòâåííîì âîñïðîèçâåäåíèè äî 15 êÃö. Ñëåäîâàòåëüíî, ïðè ïåðåäà÷å òàêèõ ñèãíàëîâ ñ ïîìîùüþ àìïëèòóäíîé ìîäóëÿöèè ñîîòâåòñòâóþùàÿ ïîëîñà ÷àñòîò äîëæíà ñîñòàâëÿòü 20 è 30 êÃö. Íàèáîëåå ïðîñòûì è íàãëÿäíûì ñïîñîáîì ïîëó÷åíèÿ àìïëèòóäíî-ìîäóëèðîâàííîãî ñèãíàëà ÿâëÿåòñÿ ìîäóëÿöèÿ ïî ïèòàíèþ, êîòîðàÿ ïðè èñïîëüçîâàíèè òðàíçèñòîðîâ íàçûâàåòñÿ êîëëåêòîðíîé, à ýëåêòðîííûõ ëàìï àíîäíîé. Íà ðèñ. 8.4,à ïðèâåäåíà óïðîùåííàÿ ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà ðåàëèçàöèè êîëëåêòîðíîé ìîäóëÿöèè.  íåé íà òðàíçèñòîðå VT ñîáðàí ðåçîíàíñíûé óñèëèòåëü, ðàáîòàþùèé îáû÷íî â êëþ÷åâîì ðåæèìå èëè â ðåæèìå Ñ. Íà åãî âõîä ïîäàåòñÿ íàïðÿæåíèå ñ ïîñòîÿííîé àìïëèòóäîé è ÷àñòîòîé íåñóùåãî êîëåáàíèÿ, êîòîðîå âûäåëÿåòñÿ è âîññòàíàâëèâàåòñÿ â êîëåáàòåëüíîì êîíòóðå LÊ, ÑÊ, íàñòðîåííîì íà ýòó ÷àñòîòó. Êàê óæå îòìå÷àëîñü (ãëàâà 5), âûõîäíîå íàïðÿæåíèå óñèëèòåëÿ îïðåäåëÿåòñÿ âåëè÷èíîé íàïðÿæåíèÿ à
á
Ðèñ. 8.4
ÃËÀÂÀ 8. ÊÀÍÀË ÑÂßÇÈ
213
ïèòàíèÿ. Åñëè ìîäóëèðóþùåãî ñèãíàëà íåò, òî íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ ðàâíî ÅÏ. Ïðè ïîäà÷å ÷åðåç òðàíñôîðìàòîð Ò ìîäóëèðóþùåãî ñèãíàëà uÑ(t) íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ óñèëèòåëÿ íà÷èíàåò èçìåíÿòüñÿ: â îäíó ïîëóâîëíó îíî ñêëàäûâàåòñÿ ñ ÅÏ, â äðóãóþ âû÷èòàåòñÿ.  ýòîì ñëó÷àå ïðîïîðöèîíàëüíî èçìåíÿåòñÿ âûõîäíîå íàïðÿæåíèå óñèëèòåëÿ, à çíà÷èò, ôîðìèðóåòñÿ ÀÌ êîëåáàíèå. Êîíäåíñàòîð ÑÁË çàìûêàåò (áëîêèðóåò) âåðõíèé âûâîä ðåçîíàíñíîãî êîíòóðà äëÿ ÀÌ êîëåáàíèÿ íà ýìèòòåð VT, óñòðàíÿÿ ïðîòåêàíèå òîêîâ íåñóùåé ÷àñòîòû ÷åðåç òðàíñôîðìàòîð ìîäóëÿòîðà Ò è âûçâàííûå ýòèì äîïîëíèòåëüíûå ïîòåðè. Íà ðèñ. 8.4,á ïðèâåäåí äðóãîé ñïîñîá ïîëó÷åíèÿ ÀÌ êîëåáàíèé, ïðè êîòîðîì åãî ôîðìèðîâàíèå ïðîèñõîäèò ïî óïðàâëÿþùåé öåïè. Ïðè ïðèìåíåíèè áèïîëÿðíûõ òðàíçèñòîðîâ òàêàÿ ìîäóëÿöèÿ íàçûâàåòñÿ áàçîâîé. Çäåñü ñ ïîìîùüþ òðàíñôîðìàòîðà Ò1 ïîäàåòñÿ íåñóùåå êîëåáàíèå uÍÅÑ(t) ñ ïîñòîÿííîé àìïëèòóäîé UÍÅÑ, ïðè÷åì ðàáî÷àÿ òî÷êà òðàíçèñòîðà VT âûáðàíà òàê, ÷òî òîê ÷åðåç íåãî ïðîòåêàåò òîëüêî â òå÷åíèå ÷àñòè ïåðèîäà ýòîãî êîëåáàíèÿ. Êîëåáàòåëüíûé êîíòóð LÊ, ÑÊ íàñòðîåí íà ýòó ÷àñòîòó è âîññòàíàâëèâàåò íåñóùåå êîëåáàíèå òàêæå ñ ïîñòîÿííîé àìïëèòóäîé. Åñëè îäíîâðåìåííî ñ ïîìîùüþ òðàíñôîðìàòîðà Ò2 ïîäàòü íàïðÿæåíèå ìîäóëèðóþùåãî ñèãíàëà uÑ(t), àìïëèòóäà êîòîðîãî UÑ ìåíüøå UÍÅÑ, òî çà ñ÷åò ïåðåìåùåíèÿ ðàáî÷åé òî÷êè òðàíçèñòîðà ïðîèñõîäèò èçìåíåíèå âåëè÷èíû åãî êîëëåêòîðíîãî òîêà, à çíà÷èò, â âîññòàíîâëåííîì â êîíòóðå êîëåáàíèè àìïëèòóäà èçìåíÿåòñÿ ïðîïîðöèîíàëüíî ìîäóëèðóþùåìó ñèãíàëó, òî åñòü íà âûõîäå óñèëèòåëÿ ôîðìèðóåòñÿ ÀÌ ñèãíàë. Êîíäåíñàòîðû ÑÁË1 è ÑÁË2 áëîêèðîâî÷íûå. Îíè çàêîðà÷èâàþò íèæíèå âûâîäû òðàíñôîðìàòîðîâ Ò1 è Ò2 äëÿ íåñóùåãî êîëåáàíèÿ è ìîäóëèðóþùåãî ñèãíàëà íà ýìèòòåð VÒ, ÷òîáû ñîîòâåòñòâóþùèå íàïðÿæåíèÿ ïîäâîäèëèñü ê ïðîìåæóòêó áàçà ýìèòòåð òðàíçèñòîðà ñ ìèíèìàëüíûìè ïîòåðÿìè, òî åñòü îáåñïå÷èâàëîñü äëÿ íèõ íàèáîëüøåå óñèëåíèå êàñêàäà. 8.3.1.2. ×ÀÑÒÎÒÍÎ-ÌÎÄÓËÈÐÎÂÀÍÍÛÅ ÑÈÃÍÀËÛ
Âèä ÷àñòîòíî-ìîäóëèðîâàííîãî ñèãíàëà åùå ðàç ïðèâåäåí íà ðèñ. 8.5. Åãî àìïëèòóäà îñòàåòñÿ ïîñòîÿííîé, à ÷àñòîòà ìåíÿåòñÿ ïðîïîðöèîíàëüíî ìãíîâåííîìó çíà÷åíèþ ñèãíàëà ñîîáùåíèÿ uÑ(t). Òàêèå êîëåáàíèÿ ïî ñðàâíåíèþ ñ ÀÌ êîëåáàíèÿìè
214
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
îáëàäàþò ïîâûøåííîé ïîìåõîçàùèùåííîñòüþ. Äåéñòâèòåëüíî, åñëè ïî êàêèì-ëèáî ïðè÷èíàì àìïëèòóäà ÀÌ ñèãíàëà áóäåò èñêàæåíà èëè îãðàíè÷åíà (îáðåçàíà), òî èíôîðìàöèÿ îá ýòèõ ó÷àñòêàõ êîëåáàíèÿ ïîëíîñòüþ óòðà÷èâàåòñÿ, è âîññòàíîâèòü ïåðâîÐèñ. 8.5 íà÷àëüíûé âèä ñèãíàëà íåâîçìîæíî.  ×Ì êîëåáàíèè èíôîðìàöèÿ î ìãíîâåííîì (â òîì ÷èñëå è àìïëèòóäíîì) çíà÷åíèè ñèãíàëà ñîîáùåíèÿ çàëîæåíà â èçìåíåíèè ÷àñòîòû, òî åñòü îïðåäåëÿåòñÿ ìîìåíòàìè ïåðåõîäà êîëåáàíèÿ ÷åðåç íóëü. Ïîýòîìó àìïëèòóäíîå îãðàíè÷åíèå ×Ì ñèãíàëà äî óðîâíÿ âûäåëåíèÿ åãî íà ôîíå ïîìåõè íå âëèÿåò íà òî÷íîñòü âîññòàíîâëåíèÿ ïåðâîíà÷àëüíîãî ñîîáùåíèÿ. Ïî ñàìîé ôîðìå ×Ì ñèãíàëà óæå ìîæíî ïðåäïîëîæèòü, ÷òî åãî ñïåêòð èìååò áîëüøå ãàðìîíè÷åñêèõ ñîñòàâëÿþùèõ, ÷åì ïðè ÀÌ. Äåéñòâèòåëüíî, ÷àñòîòà íåñóùåãî êîëåáàíèÿ wÍ, èçìåíÿÿñü ïðîïîðöèîíàëüíî ìãíîâåííîìó çíà÷åíèþ ìîäóëèðóþùåãî ñèãíàëà, ïîñëåäîâàòåëüíî ïðîõîäèò íåñêîëüêî ïîäðÿä èäóùèõ ÷àñòîò, à çíà÷èò, âñå îíè äîëæíû áûòü ïðåäñòàâëåíû â ñïåêòðå êîëåáàíèÿ (íàïîìíèì, ÷òî ñïåêòð ÀÌ ñèãíàëà â ïðîñòåéøåì ñëó÷àå ñîñòîèò òîëüêî èç òðåõ ñîñòàâëÿþùèõ). Äëÿ àíàëèòè÷åñêîãî íàõîæäåíèÿ ñïåêòðà ×Ì ñèãíàëà ó÷òåì, ÷òî óãëîâàÿ ÷àñòîòà êîëåáàíèÿ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñêîðîñòü èçìåíåíèÿ åãî ôàçû, à ñëåäîâàòåëüíî, ïðè ãàðìîíè÷åñêîì ïðåäñòàâëåíèè u×Ì(t) = UÍÅÑ cos j(t) ïîëíàÿ ôàçà êîëåáàíèÿ (îïðåäåëÿþùàÿ åãî ìãíîâåííîå çíà÷åíèå) äîëæíà íàõîäèòüñÿ êàê: 1 1213 2 5 3 213 21 4 11 4 1
ãäå j0 íà÷àëüíàÿ ôàçà êîëåáàíèÿ. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî ìãíîâåííîå çíà÷åíèå ÷àñòîòû êîëåáàíèÿ èçìåíÿåòñÿ ïî ãàðìîíè÷åñêîìó çàêîíó w(t) = wÍ + wÄ cos Wt. Òîãäà, âûïîëíèâ èíòåãðèðîâàíèå, ïîëó÷àåì: u×Ì(t) = UÍÅÑ cos [wÍt + (wÄ/W) sin Wt + j0]. Çäåñü wÄ íàçûâàåòñÿ äåâèàöèåé ÷àñòîòû (èëè ïðîñòî äåâèàöèåé) è ïîêàçûâàåò, íà ñêîëüêî èçìåíÿåòñÿ ÷àñòîòà íåñóùåãî êîëåáàíèÿ ïîä âîçäåéñòâèåì àìïëèòóäû ñèãíàëà ñîîáùåíèÿ. Âåëè÷èíà m = wÄ/W íàçûâàåòñÿ èíäåêñîì ìîäóëÿöèè è ïîêàçûâàåò, âî ñêîëüêî ðàç äåâèàöèÿ ïðåâûøàåò ìàêñèìàëü-
ÃËÀÂÀ 8. ÊÀÍÀË ÑÂßÇÈ
215
íóþ ÷àñòîòó ñèãíàëà ñîîáùåíèÿ. Ýòèì ïàðàìåòðîì è îïðåäåëÿåòñÿ â îñíîâíîì øèðèíà ñïåêòðà ×Ì êîëåáàíèÿ. Ïðè åãî íàõîæäåíèè íà÷àëüíîé ôàçîé j0 ìîæíî ïðåíåáðå÷ü. Òîãäà: u×Ì(t) = UÍÅÑ cos [wÍt + m sin Wt] = = UÍÅÑ cos wÍt cos (m sin Wt) UÍÅÑ sin wÍt sin (m sin Wt). (8.3) Ðàçëîæåíèå ôóíêöèé cos (m sin Wt) è sin(m sin Wt) â ðÿä Ôóðüå ñîäåðæèò Jn(m) ôóíêöèè Áåññåëÿ ïåðâîãî ðîäà n-ãî ïîðÿäêà îò àðãóìåíòà m: cos (m sin Wt) = J0(m) + 2J2(m) cos 2Wt + 2J4(m) cos 4Wt +
, sin(m sin Wt) = 2J1(m) sin Wt + 2J3(m) sin 3Wt + 2J5(m) sin 5Wt +
. Òîãäà ïðè ïðåîáðàçîâàíèè (8.3) ïîëó÷àåì, ÷òî ñïåêòð êîëåáàíèÿ ñîäåðæèò áåñêîíå÷íîå ÷èñëî ñîñòàâëÿþùèõ, ÷àñòîòû êîòîðûõ ðàâíû wÍ ± nW, à èõ àìïëèòóäû ïðîïîðöèîíàëüíû çíà÷åíèÿì Jn(m), ïðè÷åì ñîîòíîøåíèå àìïëèòóä íåñóùåãî êîëåáàíèÿ è áîêîâûõ ÷àñòîò çàâèñèò îò èíäåêñà ìîäóëÿöèè m, è ïðè m > 1 àìïëèòóäà íåñóùåé íå ïðåâûøàåò (êàê è ó ÀÌ) àìïëèòóäû áîêîâûõ. Èññëåäîâàíèÿ ïîêàçûâàþò, ÷òî ðåàëüíûé ñïåêòð ×Ì êîëåáàíèÿ ìîæåò áûòü îãðàíè÷åí ïîëîñîé ÷àñòîò, â êîòîðîé ñîñðåäîòî÷åíà îñíîâíàÿ ÷àñòü ýíåðãèè êîëåáàíèÿ, è åå âåëè÷èíà òàêæå îïðåäåëÿåòñÿ çíà÷åíèåì èíäåêñà ìîäóëÿöèè m: Ï×Ì = 2(m + 1)W. Åñëè m = 1, òî Ï×Ì » 2W, åñëè m ? 1, òî Ï×Ì » 2mW = 2wÄ. Åñëè âìåñòî óãëîâîé ÷àñòîòû wÄ âîñïîëüçîâàòüñÿ öèêëè÷åñêîé fÄ = wÄ/2p, òî Ï×Ì = 2(m + 1)fW.  Ðîññèè çíà÷åíèå äåâèàöèè ïðè ïåðåäà÷å ðåàëüíûõ ðàäèîâåùàòåëüíûõ ñèãíàëîâ ïðèíÿòî fÄ = 50 êÃö.  ýòîì ñëó÷àå äëÿ âûñîêîêà÷åñòâåííîé ïåðåäà÷è ìóçûêàëüíîãî ñèãíàëà (ïðè ïîëîñå ñèãíàëà äî f = 15 êÃö) èíäåêñ ìîäóëÿöèè m = wÄ/W = 2pfÄ/2pf = = 3,33 è Ï×Ì = 130 êÃö. Ñðàâíåíèå ÀÌ è ×Ì ñèãíàëîâ ïîêàçûâàþò, ÷òî âòîðûå èç íèõ îáëàäàþò óëó÷øåííîé ïîìåõîçàùèùåííîñòüþ, íî çàíèìàþò çíà÷èòåëüíî áîëåå øèðîêóþ ïîëîñó ÷àñòîò, ïîýòîìó èñïîëüçóþòñÿ â äèàïàçîíàõ ÓÊ è âûøå, ãäå òðåáóåìàÿ ïîëîñà ïðîïóñêàíèÿ ñîñòàâëÿåò åäèíèöû ïðîöåíòîâ îò ÷àñòîòû íåñóùåãî êîëåáàíèÿ.  íèæíèõ äèàïàçîíàõ ðàäèî÷àñòîò ïðèìåíÿåòñÿ ÀÌ. Ïðîñòåéøèì ñïîñîáîì ïîëó÷åíèÿ ×Ì êîëåáàíèÿ ÿâëÿåòñÿ èñïîëüçîâàíèå âàðèêàïà, ïîäêëþ÷àåìîãî ïàðàëëåëüíî êîëåáàòåëüíîìó êîíòóðó LÊ, ÑÊ (ñì. ðèñ. 8.6).
216
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
 ýòîì ñëó÷àå îáùàÿ åìêîñòü êîíòóðà ðàâíà ñóììå åìêîñòåé ÑÊ è âàðèêàïà VD. Ïðè ïîäà÷å ìîäóëèðóþùåãî ñèãíàëà uÑ(t) åìêîñòü âàðèêàïà ìåíÿåòñÿ, èçìåíÿÿ ðåçîíàíñíóþ Ðèñ. 8.6 ÷àñòîòó êîíòóðà. Äëÿ òîãî ÷òîáû âàðèêàï èñïîëüçîâàëñÿ êàê êîíäåíñàòîð ïåðåìåííîé åìêîñòè, íåîáõîäèìî ïðèëîæèòü ê íåìó íàïðÿæåíèå, ñìåùàþùåå ýòîò äèîä â îáðàòíîì (çàïèðàþùåì) íàïðàâëåíèè. Ýòî îáåñïå÷èâàåòñÿ ââåäåíèåì èñòî÷íèêà ïîñòîÿííîãî íàïðÿæåíèÿ ÅÑÌ. Îäíàêî äëÿ ïîñòîÿííîãî òîêà, ïðîòåêàþùåãî ïîä äåéñòâèåì ÅÑÌ, êàòóøêà LÊ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé êîðîòêîå çàìûêàíèå, ÷òî çàêîðà÷èâàåò VD. Äëÿ ïðåäîòâðàùåíèÿ ýòîãî ââîäÿò ðàçäåëèòåëüíûé êîíäåíñàòîð ÑÐ, åìêîñòü êîòîðîãî ìíîãî áîëüøå ÑÊ. Ðåçèñòîð R1 ïðåäîòâðàùàåò çàìûêàíèå âàðèêàïà ïî ïåðåìåííîìó òîêó ÷åðåç öåïü åãî óïðàâëåíèÿ. Åñëè òàêîé êîíòóð èñïîëüçîâàòü â êà÷åñòâå çàäàþùåãî ÷àñòîòó â ãåíåðàòîðå ãàðìîíè÷åñêèõ êîëåáàíèé (íàïðèìåð, â îäíîì èç ðàññìîòðåííûõ â ãëàâå 7), òî ïîëó÷åííîå óñòðîéñòâî áóäåò ñïîñîáíî ôîðìèðîâàòü ×Ì ñèãíàë. 8.3.1.3. ÄÐÓÃÈÅ ÂÈÄÛ ÌÎÄÓËßÖÈÈ
Ðàññìîòðåííûå âèäû ìîäóëÿöèè øèðîêî èñïîëüçóþòñÿ â òåõíèêå ðàäèîâåùàíèÿ è òåëåâèäåíèÿ, îäíàêî â íåêîòîðûõ äðóãèõ ñôåðàõ ïðèìåíåíèÿ îíè îêàçûâàþòñÿ íåäîñòàòî÷íî ýôôåêòèâíûìè. Íåîáõîäèìîñòü ïîâûøåíèÿ ïîìåõîóñòîé÷èâîñòè è ýôôåêòèâíîñòè ðàäèîýëåêòðîííîé àïïàðàòóðû ïðèâåëî ê ðàçðàáîòêå è èñïîëüçîâàíèþ ðàçíîâèäíîñòåé ÀÌ è ×Ì. Îñòàíîâèìñÿ íà íåêîòîðûõ èç íèõ. Èç ðàññìîòðåíèÿ ñïåêòðà ÀÌ ñèãíàëà âèäíî, ÷òî çíà÷èòåëüíóþ äîëþ åãî ìîùíîñòè ñîñòàâëÿåò íåñóùåå êîëåáàíèå. Åãî ìîùíîñòü ÐÍÅÑ = U2ÍÅÑ/2RÍ, â òî âðåìÿ êàê ìîùíîñòè áîêîâûõ ðàâíû ïî ÐÁÎÊ = m2U2Í/8RÍ (àìïëèòóäû áîêîâûõ ñîñòàâëÿþò ïî m/2 îò àìïëèòóäû íåñóùåé, m < 1), òî åñòü äàæå ïðè m = 1 ìîùíîñòü êàæäîé áîêîâîé íå ïðåâûøàåò 25% îò ìîùíîñòè íåñóùåé (RÍ ñîïðîòèâëåíèå íàãðóçêè, íà êîòîðîì âûäåëÿåòñÿ ÀÌ ñèãíàë).  ïðîöåññå ïåðåäà÷è ñèãíàëà íåñóùåå êîëåáàíèå íåèçìåííî, ìàëîèíôîðìàòèâíî (îíî íåîáõîäèìî òîëüêî ïðè âîññòàíîâëåíèè èñõîäíîãî ìîäóëèðóþùå-
ÃËÀÂÀ 8. ÊÀÍÀË ÑÂßÇÈ
217
ãî ñèãíàëà), íî íà íåãî ïåðåäàò÷èêîì ðàñõîäóåòñÿ áîëüøàÿ ìîùíîñòü. Äëÿ ïîâûøåíèÿ ýôôåêòèâíîñòè ðàáîòû ïåðåäàò÷èêà ìîæíî èñïîëüçîâàòü áàëàíñíóþ àìïëèòóäíóþ ìîäóëÿöèþ, â êîòîðîé íåñóùåå êîëåáàíèå çíà÷èòåëüíî èëè ïîëíîñòüþ ïîäàâëåíî. Îäíàêî è ïðè òàêîé ìîäóëÿöèè ïîëîñà ÷àñòîò, çàíèìàåìàÿ ñèãíàëîì, ïðîäîëæàåò îñòàâàòüñÿ ðàâíîé óäâîåííîìó çíà÷åíèþ ìàêñèìàëüíîé ÷àñòîòû ñïåêòðà ìîäóëèðóþùåãî ñèãíàëà, ÷òî îãðàíè÷èâàåò ÷èñëî êàíàëîâ â äèàïàçîíå ïåðåäàâàåìûõ ÷àñòîò. Äëÿ óâåëè÷åíèÿ ÷èñëà êàíàëîâ, îñîáåííî â óñëîâèÿõ íèçêèõ òðåáîâàíèé ê êà÷åñòâó ïåðåäàâàåìîãî ñèãíàëà (íàïðèìåð, ïðè ëþáèòåëüñêîé ðàäèîñâÿçè) èñïîëüçóþò îäíîïîëîñíóþ àìïëèòóäíóþ ìîäóëÿöèþ (èëè SSB-ñèãíàëû îò àíãëèéñêèõ ñëîâ single side band).  íèõ îäíó èç áîêîâûõ ÷àñòîòíûõ ïîëîñ (îáû÷íî äëÿ ÷àñòîò, íå ïðåâûøàþùèõ 10 ÌÃö, íèæíþþ, à âûøå âåðõíþþ) ïîäàâëÿþò, óáèðàÿ çà÷àñòóþ è êîëåáàíèå íåñóùåé ÷àñòîòû.  ýòîì ñëó÷àå îáåñïå÷èâàåòñÿ íå òîëüêî äâóêðàòíîå ñîêðàùåíèå ïîëîñû çàíèìàåìûõ ÷àñòîò, à çíà÷èò, òàêîå æå óâåëè÷åíèå ÷èñëà îäíîâðåìåííî ðàáîòàþùèõ ðàäèîñòàíöèé, íî è ëó÷øå èñïîëüçóåòñÿ ìîùíîñòü ðàäèîïåðåäàò÷èêà. Íåîáõîäèìîñòü îáåñïå÷åíèÿ óñòîé÷èâîé ðàäèîñâÿçè, ïîëíîãî âîññòàíîâëåíèÿ ïåðåäàííîé èíôîðìàöèè äåëàåò âàæíûìè âîïðîñû ïîìåõîóñòîé÷èâîñòè ðàáîòû êàíàëîâ ñâÿçè. Íàèáîëüøåé ïîìåõîçàùèùåííîñòüþ ïðè ëþáûõ âèäàõ ìîäóëÿöèè îáëàäàþò ñèãíàëû, èìåþùèå òîëüêî äâà çàðàíåå èçâåñòíûõ ñîñòîÿíèÿ è ïåðåõîäÿùèå èç îäíîãî â äðóãîå ñêà÷êîì. Íàïðèìåð, àìïëèòóäà, ìåíÿþùàÿñÿ ñêà÷êîì îò íóëåâîé äî ìàêñèìàëüíîé âåëè÷èíû; ÷àñòîòà, ïðèíèìàþùàÿ òîëüêî äâà çíà÷åíèÿ; ôàçà, ìãíîâåííî ìåíÿþùàÿñÿ íà 180°. Òàêèå êîëåáàíèÿ íàçûâàþòñÿ ñîîòâåòñòâåííî àìïëèòóäíî-, ÷àñòîòíî- è ôàçîìàíèïóëèðîâàííûìè.  íèõ ìîäóëèðóþùàÿ ôóíêöèÿ ïðåäñòàâëåíà â äâîè÷íîì êîäå, òî åñòü èìååò òîëüêî äâà çíà÷åíèÿ, îäíî èç êîòîðûõ íàçûâàåòñÿ ëîãè÷åñêèì íóëåì, à äðóãîå ëîãè÷åñêîé åäèíèöåé. Êàê óæå óêàçûâàëîñü, äëÿ ýòîãî ñèãíàëû ïîäâåðãàþòñÿ êîäèðîâàíèþ. Îíè èñïîëüçóþòñÿ â òåëåãðàôèè, òåëåôîíèè, â êîìïüþòåðíûõ ñåòÿõ ïåðåäà÷è èíôîðìàöèè è ò. ä.  òåëåãðàôèè òàêîå êîäèðîâàíèå îñóùåñòâëÿåòñÿ ïðåäñòàâëåíèåì âñåõ áóêâåííî-öèôðîâûõ ñèìâîëîâ ñ ïîìîùüþ àçáóêè Ìîðçå â âèäå «òî÷åê» (èìïóëüñîâ îäèíàêîâîé
218
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
äëèòåëüíîñòè) è «òèðå» (èìïóëüñîâ, èìåþùèõ óäâîåííóþ äëèòåëüíîñòü «òî÷êè»).  òåëåôîíèè è ïðè ïåðåäà÷å èíôîðìàöèè ïî êîìïüþòåðíûì ñåòÿì ïåðåäàâàåìîå êîëåáàíèå ïðåîáðàçóåòñÿ â öèôðîâîé ñèãíàë, ïîä äåéñòâèåì êîòîðîãî ïðîèñõîäèò èçìåíåíèå (ìàíèïóëÿöèÿ) íåñóùåé ÷àñòîòû. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Êàêèå âèäû ìîäóëÿöèè âû çíàåòå, â ÷åì ñóùíîñòü êàæäîãî èç íèõ? 2. Íàðèñóéòå ÀÌ êîëåáàíèå. Êàêèìè ïàðàìåòðàìè îíî õàðàêòåðèçóåòñÿ, êàêîé âèä èìååò åãî ñïåêòð? 3. Íàðèñóéòå ×Ì êîëåáàíèå. Êàêèìè ïàðàìåòðàìè îíî õàðàêòåðèçóåòñÿ, êàêîé âèä èìååò åãî ñïåêòð? 4. Êàêèå äðóãèå âèäû ìîäóëÿöèè âû çíàåòå?  ÷åì èõ äîñòîèíñòâà? 8.3.2. ÏÐÅÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈÅ ×ÀÑÒÎÒÛ ÑÈÃÍÀËÀ
Äðóãèì âèäîì ïðåîáðàçîâàíèÿ ñïåêòðà ñèãíàëà ÿâëÿåòñÿ åãî ïåðåíîñ ñ îäíîé ÷àñòîòû íà äðóãóþ, èç îäíîãî äèàïàçîíà â äðóãîé. Íåîáõîäèìîñòü â òàêîì ïåðåíîñå ÷àñòî âîçíèêàåò â òåõíèêå ðàäèîñâÿçè, ïðè÷åì òàêîå ïðåîáðàçîâàíèå äîëæíî ñîõðàíÿòü íåèñêàæåííûìè èñõîäíûå êîìïîíåíòû êîëåáàíèÿ. Äëÿ ýòîãî èñïîëüçóþò ïðåîáðàçîâàòåëü ÷àñòîòû (ñìåñèòåëü) äâóõâõîäîâîå óñòðîéñòâî, íà îäèí âõîä êîòîðîãî ïîäàåòñÿ ñèãíàë îäíîé ÷àñòîòû, íà âòîðîé äðóãîé.  ïðåîáðàçîâàòåëå èñïîëüçóþòñÿ â îñíîâíîì äâà ñïîñîáà ïîëó÷åíèÿ òðåáóåìîãî êîëåáàíèÿ ïðèìåíåíèå ýëåìåíòîâ ñ íåëèíåéíîé ÂÀÕ (÷òî èñêàæàåò ñèãíàë, à çíà÷èò, îáîãàùàåò åãî ñïåêòð) è ïàðàìåòðè÷åñêîå ïðåîáðàçîâàíèå ñèãíàëà (îäèí èç ñèãíàëîâ óñèëèâàåòñÿ ëèíåéíî, à êîýôôèöèåíò åãî ïåðåäà÷è èçìåíÿåòñÿ ïðîïîðöèîíàëüíî àìïëèòóäå âòîðîãî êîëåáàíèÿ).  îáîèõ ñëó÷àÿõ â ñïåêòðå ðåçóëüòèðóþùåãî ñèãíàëà ïîÿâëÿþòñÿ ñîñòàâëÿþùèå, ÷àñòîòû êîòîðûõ îòëè÷àþòñÿ îò èñõîäíûõ, òî åñòü âîçíèêàåò èõ ïðåîáðàçîâàíèå. Äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ëèíåéíîãî ïðåîáðàçîâàíèÿ, íå èçìåíÿþùåãî ñòðóêòóðó ñïåêòðà èñõîäíîãî ñèãíàëà, íåîáõîäèìî â ñìåñèòåëå âûïîëíèòü ïåðåìíîæåíèå äâóõ ãàðìîíè÷åñêèõ êîëåáàíèé.  ðåçóëüòàòå ýòîãî íà âûõîäå ñìåñèòåëÿ ïîÿâÿòñÿ ñîñòàâëÿþùèå, ÷àñòîòû êîòîðûõ ðàâíû ñóììå è ðàçíîñòè ÷àñòîò âîçäåéñòâóþùèõ ñèãíàëîâ. Ïîäáèðàÿ îäíó èç ÷àñòîò âîçäåéñòâóþùèõ ñèãíàëîâ, ìîæíî ïîëó÷èòü êîëåáàíèå òðåáóåìîé ÷àñòîòû. Äëÿ åå âûäåëåíèÿ íà âûõîä ïðåîáðàçîâàòåëÿ ïîäêëþ-
ÃËÀÂÀ 8. ÊÀÍÀË ÑÂßÇÈ
219
÷àþò ïîëîñîâîé ôèëüòð, îòôèëüòðîâûâàþùèé (óáèðàþùèé) âñå îñòàëüíûå ñîñòàâëÿþùèå.  ïðîñòåéøåì ñëó÷àå ïåðåìíîæåíèå ïðîèñõîäèò ïðè èñïîëüçîâàíèè ýëåìåíòîâ ñ õàðàêòåðèñòèêàìè, èìåþùèìè êâàäðàòè÷íûå ó÷àñòêè, íàïðèìåð, êîãäà èõ òîê è íàïðÿæåíèå ñâÿçàíû ìåæäó ñîáîé çàâèñèìîñòüþ òèïà i = à2u2 (äèîäû, òðàíçèñòîðû è ò. ä.). Ïîêàæåì ìàòåìàòè÷åñêè âîçìîæíîñòü ïîëó÷åíèÿ â ýòîì ñëó÷àå ëèíåéíîãî ïðåîáðàçîâàíèÿ. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî íà òàêîé ýëåìåíò ïîäàíî îäíîâðåìåííî äâà ñèãíàëà: u1(t) = U1 cos w1t è u2(t) = U2 cos w2t (äëÿ óïðîùåíèÿ ôîðìóë íà÷àëüíûå ôàçû ñèãíàëîâ ïðèìåì j1 = j2 = 0). Òîãäà: 1 1 21332 2 31 41 1 21421 5671 325 2 214 11 5671 315 2 212142 567 325 4 1 567 315 1 21421 5671 325 2 214 11 5671 315 2 221424 1 5678332 4 31 459 2 21424 1 5678332 2 31 459 (8.4)
Çäåñü ïîÿâèëèñü ñîñòàâëÿþùèå, îòëè÷àþùèåñÿ ïî ÷àñòîòå íà âåëè÷èíû (w1 w2) è (w1 + w2), àìïëèòóäû êîòîðûõ ïðîïîðöèîíàëüíû èñõîäíûì êîëåáàíèÿì. Åñëè îäèí èç ñèãíàëîâ èìååò ñëîæíûé ñïåêòð, ñîñòîÿùèé èç ñóììû êîëåáàíèé, òî âñå îíè áóäóò ñäâèíóòû íà îäíó è òó æå âåëè÷èíó, òî åñòü èñêàæåíèÿ ñïåêòðà íå ïðîèñõîäèò. Ïîýòîìó äëÿ ïîëó÷åíèÿ òðåáóåìîãî êîëåáàíèÿ äîñòàòî÷íî âûäåëèòü (îòôèëüòðîâàòü) ñîîòâåòñòâóþùóþ êîìïîíåíòó.  ðåàëüíûõ óñëîâèÿõ (íàïðèìåð, ïðè àïïðîêñèìàöèè ÂÀÕ äèîäîâ èëè âõîäíîé õàðàêòåðèñòèêè áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà) çàâèñèìîñòü òîêà îò ïðèëîæåííîãî íàïðÿæåíèÿ èìååò âèä: i = à0 + à1u + à2u2. Òîãäà ïðè ïîäà÷å u1(t) = U1 cos w1t è u2(t) = = U2 cos w2t ïîëó÷èì: 1 1 22 1 23433 2 31 5 2 21433 2 31 51 1 22 2 2343 678 335 2 234 1 678 315 2 221431 6781 335 2 214 11 6781 315 2 12143 678 335 41 678 315 1 1 22 2 2343 678 335 2 234 1 678 315 2 21431 6781 335 2 214 11 6781 315 2 (8.5) 221434 1 6789433 4 31 55 2 214341 6789433 2 31 55
Åñëè, íàïðèìåð, u1(t) = UÍÅÑ cos wÍt áóäåò ñîîòâåòñòâîâàòü íåñóùåìó êîëåáàíèþ, à u2(t) = UÑ cos Wt ìîäóëèðóþùåìó è âûäåëèòü ôèëüòðîì ïîëîñó ÷àñòîò îò wÍ W äî wÍ + W, òî ïîëó÷èì ñèãíàë, ñïåêòð êîòîðîãî ñîîòâåòñòâóåò ÀÌ êîëåáàíèþ,
220
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
à çíà÷èò, òàêîå ïðåîáðàçîâàíèå ìîæíî èñïîëüçîâàòü äëÿ åãî ôîðìèðîâàíèÿ. Ïðè ïàðàìåòðè÷åñêîì ïðåîáðàçîâàíèè ñèãíàëà êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è óñòðîéñòâà èçìåíÿåòñÿ ïðîïîðöèîíàëüíî àìïëèòóäå îäíîãî èç êîëåáàíèé, íàïðèìåð, K(t) = Kcos w1t. Òîãäà ïðè ïîäà÷å íà âõîä òàêîãî óñòðîéñòâà ñèãíàëà u2(t) = U2 cos w2t íà åãî âûõîäå ïîëó÷èì: uÂÛÕ(t) = K(t)U2 cos w2t = K cos w1t U2 cos w2t = = 0,5KU2 cos [(w1 w2)t] + 0,5KU2 cos [(w1 + w2)t], (8.6) òî åñòü âíîâü îñóùåñòâëÿåòñÿ ïðåîáðàçîâàíèå ñïåêòðà êîëåáàíèÿ. Ïðè èñïîëüçîâàíèè â êà÷åñòâå âõîäíîãî ñèãíàëà ñëîæíîãî êîëåáàíèÿ èñêàæåíèÿ ñïåêòðà çäåñü òàêæå íå ïðîèñõîäèò. Åñëè çäåñü âûáèðàòü K(t) = K0 + K cos (w1t + j1), òî â âûõîäíîì ñèãíàëå ïîÿâëÿåòñÿ ñîñòàâëÿþùàÿ ñ ÷àñòîòîé íåñóùåãî êîëåáàíèÿ, à çíà÷èò, ôîðìèðóåòñÿ ïîëíûé ñïåêòð ÀÌ ñèãíàëà. Ñ ïîìîùüþ òàêèõ ïðåîáðàçîâàíèé ìîãóò îñóùåñòâëÿòüñÿ ðàçëè÷íûå èçìåíåíèÿ ñïåêòðà êîëåáàíèÿ, íå òîëüêî ìîäóëÿöèÿ, íî è äåòåêòèðîâàíèå ñèãíàëà. Íàïðèìåð, åñëè w1 = w2, òî â (8.4)(8.6) ïîÿâëÿþòñÿ ñîñòàâëÿþùèå ñ íóëåâîé w = w1 w2 è óäâîåííîé w = 2w1 ÷àñòîòàìè, ïîñëåäíÿÿ èç êîòîðûõ ìîæåò áûòü ïîäàâëåíà ôèëüòðîì, âêëþ÷åííûì íà âûõîäå ïðåîáðàçîâàòåëÿ. Åñëè ïðè ýòîì îäíî èç êîëåáàíèé, íàïðèìåð, u1(t), ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ÀÌ-ñèãíàë u1(t) = uÀÌ(t) = UÀÌ cos wÍt (8.1), òî îñòàâøååñÿ ïîñëå ôèëüòðàöèè êîëåáàíèå áóäåò èçìåíÿòüñÿ ïðîïîðöèîíàëüíî çàêîíó ìîäóëÿöèè i(t) = à2UÀÌU2 cos 0 = = à2U2(UÍÅÑ + UÑ cos Wt). Òàêîå äåòåêòèðîâàíèå íàçûâàåòñÿ ñèíõðîííûì. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Êàêèå ñïîñîáû ïðåîáðàçîâàíèÿ ñèãíàëà âû çíàåòå? 2. Ñ ïîìîùüþ ÷åãî èç âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ ïðåîáðàçîâàòåëÿ âûäåëÿþòñÿ êîëåáàíèÿ íóæíûõ ÷àñòîò? 3. Ðàññêàæèòå, ïðè êàêèõ óñëîâèÿõ ïðîèñõîäèò ëèíåéíîå ïðåîáðàçîâàíèå ñïåêòðà ñèãíàëà. 4. Ðàññêàæèòå î ïàðàìåòðè÷åñêîì ïðåîáðàçîâàíèè ñèãíàëà. 5. ×òî òàêîå ñèíõðîííîå äåòåêòèðîâàíèå?
ÃËÀÂÀ ÄÅÂßÒÀß
ÐÀÄÈÎÏÐÈÅÌÍÛÅ ÓÑÒÐÎÉÑÒÂÀ
9.1. ÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÈÅ ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊÈ È ÊËÀÑÑÈÔÈÊÀÖÈß ÐÀÄÈÎÏÐÈÅÌÍÛÕ ÓÑÒÐÎÉÑÒÂ
Ðàäèîïðèåìíûå óñòðîéñòâà (êðàòêî ðàäèîïðèåìíèêè) õàðàêòåðèçóþòñÿ ìíîãèìè ïîêàçàòåëÿìè, îñíîâíûìè èç êîòîðûõ äëÿ âåùàòåëüíûõ ïðèåìíèêîâ ÿâëÿþòñÿ ñëåäóþùèå: äèàïàçîí ïðèíèìàåìûõ ÷àñòîò; ÷óâñòâèòåëüíîñòü ïðèåìíèêà ìèíèìàëüíàÿ ÝÄÑ â àíòåííå, ïðè êîòîðîé íà âûõîäå âîñïðîèçâîäèòñÿ ñèãíàë ñòàíäàðòíîé âûõîäíîé ìîùíîñòè; èçáèðàòåëüíîñòü ïî ñîñåäíåìó (çåðêàëüíîìó) êàíàëó, ïîêàçûâàþùàÿ, âî ñêîëüêî ðàç èçìåíÿåòñÿ íàïðÿæåíèå íà âûõîäå ïðèåìíèêà ïðè ïåðåñòðîéêå åãî íà ñîñåäíèé (çåðêàëüíûé) êàíàë. Ñîñåäíèì íàçûâàåòñÿ êàíàë, íåñóùàÿ ÷àñòîòà êîòîðîãî îòëè÷àåòñÿ îò ðàáî÷åé äëÿ ïðèåìíèêîâ ÀÌ ñèãíàëîâ íà ±9 êÃö, äëÿ ×Ì ñèãíàëîâ íà ±200 êÃö, à çåðêàëüíûì ÷àñòîòà êîòîðîãî ïðåâûøàåò ðàáî÷óþ íà óäâîåííîå çíà÷åíèå ïðîìåæóòî÷íîé ÷àñòîòû; ïîìåõîóñòîé÷èâîñòü, ïîêàçûâàþùàÿ, âî ñêîëüêî ðàç íà âûõîäå ïðèåìíèêà ýôôåêòèâíîå íàïðÿæåíèå ñèãíàëà áîëüøå ýôôåêòèâíîãî íàïðÿæåíèÿ ïîìåõè ïðè çàäàííîì îòíîøåíèè ñèãíàë/øóì íà âõîäå ïðèåìíèêà; ïîêàçàòåëè êà÷åñòâà, õàðàêòåðèçóþùèå ÓÇ×, âõîäÿùèé â ñîñòàâ ïðèåìíèêà. Ðàäèîïðèåìíûå óñòðîéñòâà äåëÿòñÿ íà äâà êëàññà ïðèåìíèêè ïðÿìîãî óñèëåíèÿ è ñóïåðãåòåðîäèííûå.  ïåðâûõ óñèëåíèå ìîäóëèðîâàííîãî ñèãíàëà â ÓÐ× ïðîèñõîäèò íà íåñóùåé ÷àñòîòå; âî âòîðûõ ïðèíèìàåìûé ñèãíàë ïðåîáðàçóåòñÿ â ñèãíàë ïðîìåæóòî÷íîé ÷àñòîòû, íà êîòîðîé è ïðîèñõîäèò îñíîâíîå óñèëåíèå òðàêòà ðàäèî÷àñòîòû.
222
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
à
á
Ðèñ. 9.1
Ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà ïðèåìíèêà ïðÿìîãî óñèëåíèÿ ïðèâåäåíà íà ðèñ. 9.1,à. Åãî äîñòîèíñòâîì ÿâëÿåòñÿ ìàêñèìàëüíàÿ ïðîñòîòà, íåäîñòàòêàìè çàâèñèìîñòü èçáèðàòåëüíîñòè ïðèåìíèêà îò ÷àñòîòû ïðèíèìàåìîãî ñèãíàëà è íèçêàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü. Ïðè ðàáîòå ðàäèîïðèåìíîãî óñòðîéñòâà â øèðîêîì äèàïàçîíå ÷àñòîò (êîãäà îòíîøåíèå âåðõíåé ãðàíè÷íîé ÷àñòîòû äèàïàçîíà ê íèæíåé ñîñòàâëÿåò ³ 3) îäèí è òîò æå êîëåáàòåëüíûé êîíòóð íà ðàçíûõ ÷àñòîòàõ ìîæåò èìåòü ðàçíûå ýêâèâàëåíòíûå ïàðàìåòðû: íàïðèìåð, â âåðõíåì ÷àñòîòíîì äèàïàçîíå íà÷èíàåò ñêàçûâàòüñÿ ìåæâèòêîâàÿ åìêîñòü åãî êàòóøêè è ýêâèâàëåíòíàÿ èíäóêòèâíîñòü âûâîäîâ êîíäåíñàòîðà.  ýòîì ñëó÷àå õàðàêòåðèñòè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå r è äîáðîòíîñòü êîíòóðîâ Q óìåíüøàþòñÿ, à ïîëîñà ïðîïóñêàíèÿ ðàñøèðÿåòñÿ, òî åñòü èçáèðàòåëüíîñòü óõóäøàåòñÿ. Òîãäà ñ ïåðåñòðîéêîé ïðèåìíèêà íà ñèãíàëû âûñîêî÷àñòîòíîé ÷àñòè äèàïàçîíà ñîñåäíèå ðàäèîñòàíöèè ïîäàâëÿþòñÿ íåäîñòàòî÷íî è ïðîñëóøèâàþòñÿ îäíîâðåìåííî ñ ïðèíèìàåìîé. Òàêàÿ ñèòóàöèÿ ïðîèëëþñòðèðîâàíà íà ðèñ. 9.1,á, íà êîòîðîì èçîáðàæåíà ôèëüòðàöèÿ íåñóùèõ ÷àñòîò ñîñåäíèõ ñòàíöèé fÑ1 è fÑ2 îò ðàáî÷èõ fÐ1 è fÐ2 íà íèæíåì è âåðõíåì ó÷àñòêàõ äèàïàçîíà ïðèíèìàåìûõ ÷àñòîò. Íèçêàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü ïðèåìíèêà ïðÿìîãî óñèëåíèÿ ñâÿçàíà ñî ñêëîííîñòüþ åãî ê ñàìîâîçáóæäåíèþ. Ïðèåìíèê êîìïàêòíîå óñòðîéñòâî, âñå êàñêàäû êîòîðîãî ïèòàþòñÿ îò îáùåãî èñòî÷íèêà, ïîýòîìó ÷åðåç íåãî è ýôèð ìîæåò âîçíèêíóòü öåïü îáðàòíîé ñâÿçè. Ïðè ðàáîòå â øèðîêîì äèàïàçîíå ÷àñòîò âñåãäà åñòü ÷àñòîòà, íà êîòîðîé ìîæåò âûïîëíèòüñÿ áàëàíñ ôàç îäíî èç óñëîâèé ñàìîâîçáóæäåíèÿ. Åñëè ïðè ýòîì ïî-
ÃËÀÂÀ 9. ÐÀÄÈÎÏÐÈÅÌÍÛÅ ÓÑÒÐÎÉÑÒÂÀ
223
âûøàòü êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ ïðèåìíèêà, òî ìîæíî ïðåâûñèòü ïîðîã, ñîîòâåòñòâóþùèé áàëàíñó àìïëèòóä. Òîãäà îáà óñëîâèÿ ñàìîâîçáóæäåíèÿ îêàçûâàþòñÿ âûïîëíåííûìè, è ïðèåìíèê ïåðåõîäèò â ðåæèì àâòîãåíåðàòîðà. Äëÿ ïðåäîòâðàùåíèÿ ýòîãî êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è òðàêòà ïðèåìíèêà ïðÿìîãî óñèëåíèÿ îãðàíè÷èâàþò, è åãî ÷óâñòâèòåëüíîñòü îêàçûâàåòñÿ íå ïðåâûøàþùåé »1 ìÂ. Óêàçàííûå íåäîñòàòêè ïðèâîäÿò ê òîìó, ÷òî ïðèåìíèêè ïðÿìîãî óñèëåíèÿ èñïîëüçóþòñÿ òîëüêî â ñðåäíå- è äëèííîâîëíîâîì äèàïàçîíàõ ïðèíèìàåìûõ ÷àñòîò è òîëüêî äëÿ ïðèåìà ìåñòíûõ ñòàíöèé (íàïðèìåð, â êà÷åñòâå ñóâåíèðíûõ èçäåëèé). Ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà ñóïåðãåòåðîäèííîãî ïðèåìíèêà ïðèâåäåíà íà ðèñ. 9.2,à.  íåì îñíîâíîå óñèëåíèå â ÓÐ× ïðîèñõîäèò íà îäíîé è òîé æå (ïðîìåæóòî÷íîé) ÷àñòîòå (Ï×), äëÿ êîòîðîé ïàðàìåòðû êîíòóðà îñòàþòñÿ îäíèìè è òåìè æå, ÷òî ïîçâîëÿåò îáåñïå÷èòü òðåáóåìóþ èçáèðàòåëüíîñòü ïðèåìíèêà. Äëÿ ïðåäîòâðàùåíèÿ âûïîëíåíèÿ â ðàäèîïðèåìíèêå áàëàíñà ôàç äîñòàòî÷íî ââåäåíèÿ â óñèëèòåëü ïðîìåæóòî÷íîé ÷àñòîòû (ÓÏ×), ãäå ïðîèñõîäèò ýòî óñèëåíèå, ïðîñòåéøåé êîððåêöèè, êîòîðàÿ ñíèìàåò îãðàíè÷åíèÿ íà åãî êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ, à çíà÷èò, ÷óâñòâèòåëüíîñòü ðàäèîïðèåìíèêà. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ ñèãíàëà ïðîìåæóòî÷íîé ÷àñòîòû èñïîëüçóþò ïðåîáðàçîâàòåëü ÷àñòîòû (ñìåñèòåëü) äâóõâõîäîâîå à
á
Ðèñ. 9.2
224
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
óñòðîéñòâî, íà îäèí âõîä êîòîðîãî ïîäàåòñÿ ñèãíàë íåñóùåé ÷àñòîòû fÍ, à íà äðóãîé ãåòåðîäèíà (ìàëîìîùíîãî ãåíåðàòîðà) fÃ, ÷àñòîòà êîòîðîãî âûøå íåñóùåé. Ïðè ýòîì íà âûõîäå ñìåñèòåëÿ ïîÿâëÿåòñÿ êîëåáàíèå ñ ÷àñòîòîé, ðàâíîé ðàçíîñòè ïîäàâàåìûõ ÷àñòîò fÏ× = fà fÍ, êîòîðîå óñèëèâàåòñÿ ÓÏ×.  êà÷åñòâå åãî èñïîëüçóåòñÿ, êàê ïðàâèëî, âûñîêîèçáèðàòåëüíûé óñèëèòåëü ñ áîëüøèì êîýôôèöèåíòîì óñèëåíèÿ, íàãðóçêîé êîòîðîãî ÿâëÿåòñÿ ôèëüòð ñîñðåäîòî÷åííîé ñåëåêöèè, èìåþùèé áëèçêóþ ê ïðÿìîóãîëüíîé ÷àñòîòíóþ õàðàêòåðèñòèêó. Ýòî ïîçâîëÿåò îáåñïå÷èòü áîëüøîé êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ è âûñîêóþ èçáèðàòåëüíîñòü ÓÏ×. Ïðè ïåðåñòðîéêå ïðèåìíèêà íà äðóãóþ ñòàíöèþ îäíîâðåìåííî ïåðåñòðàèâàåòñÿ åãî âõîäíîé êîíòóð (ïðåñåëåêòîð) è ÷àñòîòà ãåòåðîäèíà òàê, ÷òîáû ïðè âñåõ ïðèíèìàåìûõ ñòàíöèÿõ ñîõðàíÿëîñü íåèçìåííûì çíà÷åíèå fÏ× = fà fÍ. Äëÿ âåùàòåëüíûõ ïðèåìíèêîâ ñ àìïëèòóäíîé ìîäóëÿöèåé ïðîìåæóòî÷íàÿ ÷àñòîòà ñîñòàâëÿåò 465 êÃö, ñ ÷àñòîòíîé ìîäóëÿöèåé 10,7 ÌÃö. Ââåäåíèå ïðåîáðàçîâàíèÿ ñèãíàëà íà ïðîìåæóòî÷íóþ ÷àñòîòó ñîçäàåò â ñóïåðãåòåðîäèííîì ðàäèîïðèåìíîì óñòðîéñòâå êàíàë, íàçûâàåìûé çåðêàëüíûì. Äåéñòâèòåëüíî, ïðè ôèêñèðîâàííîé ÷àñòîòå fà ñóùåñòâóþò äâå ÷àñòîòû, ðàçíîñòü êîòîðûõ ñ fà äàþò fÏ× ýòî fÍ, ðàñïîëîæåííàÿ íèæå fÃ, è fÍ2, ðàñïîëîæåííàÿ âûøå ÷àñòîòû ãåòåðîäèíà òîæå íà âåëè÷èíó ïðîìåæóòî÷íîé ÷àñòîòû fÏ× (ðèñ. 9.2,á). Òàêîé ñèãíàë ïîñëå ïðåîáðàçîâàíèÿ â ñìåñèòåëå òîæå áóäåò èìåòü ÷àñòîòó, ðàâíóþ ïðîìåæóòî÷íîé, óñèëèâàòüñÿ ÓÏ× òàê æå, êàê ïîëåçíîå êîëåáàíèå, è ìîæåò ñóùåñòâîâàòü îäíîâðåìåííî ñ íèì, ñîçäàâàÿ ïîìåõè ïðèåìó. Ýòî ÿâëÿåòñÿ íåäîñòàòêîì ñóïåðãåòåðîäèííîãî ïðèåìíèêà. Ïîäàâëåíèå çåðêàëüíîãî êàíàëà â ïðèåìíèêå îñóùåñòâëÿåòñÿ ïðåñåëåêòîðîì íà âõîäå ïðèåìíèêà, êîòîðûé ïîäàâëÿåò (îòñåèâàåò) ÷àñòîòû, ïðåâûøàþùèå ÷àñòîòó ãåòåðîäèíà. Äëÿ óëó÷øåíèÿ ïîäàâëåíèÿ â ñâÿçíûõ ïðèåìíèêàõ ïðèìåíÿþò äâîéíîå ïðåîáðàçîâàíèå ÷àñòîòû. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. 2. 3. 4. 5.
Êàêèìè ïàðàìåòðàìè õàðàêòåðèçóþòñÿ ðàäèîïðèåìíûå óñòðîéñòâà? ×òî íàçûâàåòñÿ ïðèåìíèêîì ïðÿìîãî óñèëåíèÿ? Êàêîâû äîñòîèíñòâà è íåäîñòàòêè ïðèåìíèêà ïðÿìîãî óñèëåíèÿ? ×òî íàçûâàåòñÿ ñóïåðãåòåðîäèííûì ïðèåìíèêîì? Êàêîâû ïðåèìóùåñòâà è íåäîñòàòêè ñóïåðãåòåðîäèííîãî ïðèåìíèêà?
ÃËÀÂÀ 9. ÐÀÄÈÎÏÐÈÅÌÍÛÅ ÓÑÒÐÎÉÑÒÂÀ
225
9.2. ÄÅÒÅÊÒÈÐÎÂÀÍÈÅ ÀÌÏËÈÒÓÄÍÎ-ÌÎÄÓËÈÐÎÂÀÍÍÛÕ ÑÈÃÍÀËΠÂîññòàíîâëåíèå èñõîäíîãî ñèãíàëà ñîîáùåíèÿ èç ìîäóëèðîâàííîãî êîëåáàíèÿ ïðîèñõîäèò â äåìîäóëÿòîðå, êîòîðûé â ñëó÷àå âåùàòåëüíûõ ïðèåìíèêîâ íàçûâàåòñÿ äåòåêòîðîì. Äëÿ êàæäîãî âèäà ìîäóëÿöèè èñïîëüçóåòñÿ ñâîé òèï äåòåêòîðà. Äëÿ àìïëèòóäíî-ìîäóëèðîâàííîãî êîëåáàíèÿ ïðîñòåéøåé ñõåìîé äåòåêòîðà ÿâëÿåòñÿ òàê íàçûâàåìàÿ ïîñëåäîâàòåëüíàÿ ñõåìà (ðèñ. 9.3,à), ïðåäñòàâëÿþùàÿ ñîáîé äèîä, â íàãðóçêó êîòîðîãî âêëþ÷åíû ïàðàëëåëüíî ñîåäèíåííûå ðåçèñòîð RÍ è êîíäåíñàòîð ÑÍ. Öåëåñîîáðàçíîñòü òàêîãî ïîñòðîåíèÿ àìïëèòóäíîãî äåòåêòîðà îáóñëîâëåíà ñëåäóþùèì.  ðàçäåëå 8.3.1 ïîêàçàíî, ÷òî ÀÌ ñèãíàë ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñèììåòðè÷íîå äâóõïîëÿðíîå êîëåáàíèå. Ïîýòîìó ïðè íåïîñðåäñòâåííîì âîçäåéñòâèè åãî íà ÷åëîâå÷åñêîå óõî ïðîèñõîäèò êîìïåíñàöèÿ èçìåíåíèé, âûçâàííûõ âëèÿíèåì îäíîé ïîëóâîëíû ñèãíàëà íà óõî äðóãîé ïîëóâîëíîé, òî åñòü ñðåäíåå çíà÷åíèå âîçäåéñòâèÿ ðàâíî íóëþ, à çíà÷èò, ñèãíàë ÷åëîâåêîì âîñïðèíèìàòüñÿ íå áóäåò. Äëÿ óñòðàíåíèÿ ýòîãî èñïîëüçóþò äèîä VD. Îí ïðîïóñêàåò òîëüêî îäíó èç ïîëóâîëí êîëåáàíèÿ, çàäåðæèâàÿ äðóãóþ. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî äèîä èìååò ëèíåéíóþ ÂÀÕ, òîãäà ïðîøåäøèé ÷åðåç íåãî ñèãíàë ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé îòðåçêè ãàðìîíè÷åñêîãî êîëåáàíèÿ uÀÌ(t), èçìåíåíèå àìïëèòóä êîòîðîãî ïîâòîðÿåò ñèãíàë ñîîáùåíèÿ uÑ(t) (ðèñ. 9.3,á). Äëÿ âîññòàíîâëåíèÿ uÑ(t) íóæíî çàïîëíèòü ïóñòîòû ìåæäó ýòèìè îòðåçêàìè, ÷òî äîñòèãàåòñÿ èñïîëüçîâàíèåì ýíåðãîåìêîãî ýëåìåíòà êîíäåíñàòîðà ÑÍ, ïîäêëþ÷åííîãî ïàðàëëåëüíî ðåçèñòîðó íàãðóçêè RÍ.  ýòîì ñëó÷àå òîê, ïðîòåêàþùèé ÷åðåç äèîä VD ïðè åãî îòêðûâàíèè, äåëèòñÿ íà äâå ÷àñòè, îäíà èç êîòîðûõ ñîçäàåò à
á
Ðèñ. 9.3
226
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
íàïðÿæåíèå íà RÍ, à äðóãàÿ çàðÿæàåò êîíäåíñàòîð ÑÍ. Ïðè çàêðûâàíèè äèîäà êîíäåíñàòîð ðàçðÿæàåòñÿ ÷åðåç íàãðóçêó RÍ, ïîääåðæèâàÿ íàïðÿæåíèå íà íåé. Ðàññìîòðèì ýòî áîëåå ïîäðîáíî. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî êîíäåíñàòîð ÑÍ ðàçðÿæåí, è íàïðÿæåíèå íà íåì uÍ ðàâíî íóëþ. Òîãäà äëÿ ïåðâîé ïîëîæèòåëüíîé ïîëóâîëíû ìîäóëèðîâàííîãî ñèãíàëà (uÀÌ íà ðèñ. 9.3,á) äèîä VD îòêðûò (ïîëÿðíîñòè ìãíîâåííûõ çíà÷åíèé íàïðÿæåíèé íà ýëåìåíòàõ óêàçàíû íà ðèñ. 9.3,à), è ÷åðåç íåãî îò èñòî÷íèêà ÀÌ ñèãíàëà (uÀÌ íà ðèñ. 9.3,à) ïî öåïè, ñîñòîÿùåé èç ïàðàëëåëüíî ñîåäèíåííûõ RÍ è ÑÍ, ïðîòåêàåò òîê, êîòîðûé çàðÿæàåò ÑÍ. Íàïðÿæåíèå íà íåì uÍ óâåëè÷èâàåòñÿ (ðèñ. 9.3,á). Îäíîâðåìåííî ñ ýòèì ïîëóâîëíà âõîäíîãî ñèãíàëà, ïðîäîëæàÿ óâåëè÷èâàòüñÿ, äîñòèãàåò ñâîåãî íàèáîëüøåãî çíà÷åíèÿ, à çàòåì íà÷èíàåò óìåíüøàòüñÿ. Êàê òîëüêî âõîäíîå íàïðÿæåíèå uÀÌ îêàæåòñÿ ðàâíûì âûõîäíîìó uÍ, èõ ðàçíîñòü, ïðèëîæåííàÿ ê äèîäó, ñòàíåò ðàâíîé íóëþ, äèîä çàêðîåòñÿ è îòêëþ÷èò íàãðóçêó îò èñòî÷íèêà âõîäíîãî ñèãíàëà. Òåïåðü êîíäåíñàòîð ÑÍ íà÷èíàåò ðàçðÿæàòüñÿ ÷åðåç RÍ, ïðîäîëæàÿ ïîääåðæèâàòü íà íåì âûõîäíîå íàïðÿæåíèå. Ïðè äàëüíåéøåì óìåíüøåíèè âõîäíîãî ñèãíàëà ðàçíîñòü uÀÌ è uÍ äëÿ äèîäà VD ñòàíîâèòñÿ çàïèðàþùåé (íà ðèñ. 9.3,à ïîêàçàíî ó äèîäà â ñêîáêàõ), ïîääåðæèâàåò VD â çàïåðòîì ñîñòîÿíèè, è âõîäíîé ñèãíàë íå âëèÿåò íà ïðîèñõîäÿùèå ïðîöåññû. Òàê ïðîèñõîäèò è âî âñþ îòðèöàòåëüíóþ ïîëóâîëíó ñèãíàëà äî òåõ ïîð, ïîêà íàïðÿæåíèå uÀÌ íå äîñòèãíåò âåëè÷èíû íàïðÿæåíèÿ íà íàãðóçêå, ïðåâûñèò åãî, ñîçäàâàÿ âíîâü íà äèîäå íàïðÿæåíèå îòïèðàþùåé ïîëÿðíîñòè, è âîçîáíîâèò ðàññìîòðåííûå ïðîöåññû. Ôîðìèðóåìîå â ýòîì ñëó÷àå íàïðÿæåíèå íà íàãðóçêå èìååò ïóëüñèðóþùèé âèä, ÷òî ñâÿçàíî ñ çàðÿäîì è ðàçðÿäîì êîíäåíñàòîðà ÑÍ. Äëÿ ñíèæåíèÿ àìïëèòóäû ïóëüñàöèé íåîáõîäèìî óâåëè÷èâàòü ïîñòîÿííóþ âðåìåíè öåïè ðàçðÿäà (tÐÀÇ = RÍÑÍ). Ïðè ýòîì ñêîðîñòü ðàçðÿäà óìåíüøàåòñÿ è íàïðÿæåíèå uÍ ñïàäàåò ìåäëåííåå, òî åñòü æåëàòåëüíî, ÷òîáû ïîñòîÿííàÿ âðåìåíè öåïè ðàçðÿäà çíà÷èòåëüíî ïðåâûøàëà ïåðèîä íåñóùåãî êîëåáàíèÿ tÐÀÇ ? Òw. Ñîïðîòèâëåíèå íàãðóçêè RÍ, êàê ïðàâèëî, íåëüçÿ ñäåëàòü ïðîèçâîëüíûì, ïîýòîìó äëÿ óìåíüøåíèÿ ïóëüñàöèé óâåëè÷èâàþò åìêîñòü êîíäåíñàòîðà ÑÍ. Îäíàêî åå ÷ðåçìåðíîå óâåëè÷åíèå ïðèâîäèò ê òîìó, ÷òî ôîðìà íà-
ÃËÀÂÀ 9. ÐÀÄÈÎÏÐÈÅÌÍÛÅ ÓÑÒÐÎÉÑÒÂÀ
227
Ðèñ. 9.4
ïðÿæåíèÿ íà íàãðóçêå ïåðåñòàåò ïîâòîðÿòü ôîðìó îãèáàþùåé ÀÌ ñèãíàëà, òî åñòü âîçíèêàþò åãî íåëèíåéíûå èñêàæåíèÿ (ðèñ. 9.4). Ýòî ïðîèñõîäèò èç-çà òîãî, ÷òî íàïðÿæåíèå íà êîíäåíñàòîðå íà÷èíàåò óìåíüøàòüñÿ ìåäëåííåå, ÷åì èçìåíÿåòñÿ àìïëèòóäà ñèãíàëà. Ïîýòîìó ïðè ñíèæåíèè àìïëèòóäû âõîäíîãî êîëåáàíèÿ äèîä ïðîäîëæàåò îñòàâàòüñÿ çàïåðòûì, è ñîîòâåòñòâóþùàÿ ÷àñòü îãèáàþùåé ñèãíàëà îêàçûâàåòñÿ íåâîñïðîèçâåäåííîé. ×òîáû ýòîãî íå ïðîèçîøëî, íåîáõîäèìî, ÷òîáû êîíäåíñàòîð ÑÍ ðàçðÿæàëñÿ áûñòðåå, ÷åì èçìåíÿåòñÿ îãèáàþùàÿ ÀÌ êîëåáàíèÿ, òî åñòü òðåáóåòñÿ tÐÀÇ < ÒW. Òàêèì îáðàçîì, ïðè âûáîðå íîìèíàëîâ ýëåìåíòîâ RÍ è ÑÍ íåîáõîäèìî îáåñïå÷èòü Òw = tÐÀÇ < ÒW. Ðåàëüíàÿ âîëüò-àìïåðíàÿ õàðàêòåðèñòèêà äèîäà (çàâèñèìîñòü åãî òîêà iÄ îò âåëè÷èíû ïðèëîæåííîãî ê äèîäó íàïðÿæåíèÿ uÄ, ñîâïàäàþùàÿ ñ ïðÿìîé âåòâüþ ÂÀÕ ðn-ïåðåõîäà, ðèñ. 3.14,á) èìååò íå òîëüêî ëèíåéíûé ó÷àñòîê. Åå óñëîâíî ìîæíî ïðåäñòàâèòü êàê ñîñòîÿùóþ èç äâóõ îáëàñòåé: ëèíåéíîé äëÿ áîëüøèõ çíà÷åíèé íàïðÿæåíèÿ, è íåëèíåéíîé (êâàäðàòè÷íîé) äëÿ ìàëûõ. Åñëè àìïëèòóäà ÀÌ ñèãíàëà íàõîäèòñÿ â îñíîâíîì íà ïåðâîì ó÷àñòêå, òî òàêèå äåòåêòîðû íàçûâàþò ëèíåéíûìè; åñëè íà âòîðîì êâàäðàòè÷íûìè. Ðàññìîòðèì ïîäðîáíåå ðàáîòó êàæäîãî èç âèäîâ ýòèõ äåòåêòîðîâ. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî UÀÌ âåëèêî, äèîä ðàáîòàåò â ëèíåéíîì ðåæèìå, è õàðàêòåðèñòèêà íà÷èíàåòñÿ èç íà÷àëà êîîðäèíàò. Òîãäà ïðè uÀÌ(t) > 0 åãî òîê iÄ = àuÄ, à ïðè uÀÌ(t) < 0 òîê äèîäà iÄ = 0. Áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî ïîñòîÿííàÿ âðåìåíè tÐÀÇ âûáðàíà ïðàâèëüíî, íåëèíåéíûå èñêàæåíèÿ îòñóòñòâóþò, è ñðåäíåå çíà÷åíèå íàïðÿæåíèÿ íà íàãðóçêå ïðè ïðîòåêàíèè ÷åðåç äèîä èìïóëüñà òîêà îñòàåòñÿ íåèçìåííûì (ñì. ðèñ. 9.5).
228
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
 ýòîì ñëó÷àå ïðè uÀÌ > uÍ ðàçíîñòü ýòèõ íàïðÿæåíèé îòêðûâàåò äèîä, ñîçäàâàÿ òîê çàðÿäà è íàãðóçêè. Ïîëîâèíà äëèòåëüíîñòè èìïóëüñà òîêà äèîäà (tÈÄ), âûðàæåííàÿ â åäèíèöàõ òåêóùåé ôàçû (ðàäèàíàõ èëè ãðàäóñàõ), íàçûâàåòñÿ óãëîì îòñå÷êè (q = w tÈÄ/2). Ïðè ïîäà÷å íà âõîä ëèíåéíîãî äåòåêòîðà ÀÌ êîëåáàíèÿ uÀÌ(t) = = UÀÌ cos wÍt ñðåäíåå çíà÷åíèå òîêà äèîäà:
Ðèñ. 9.5
478 2
23 56 4
1112 34
6
11 3 1112 345 11 2
9
2 23 56
5 3 5 53 4
Ïîäñòàâëÿÿ ñþäà UÀÌ = UÍ(1 + m cos Wt) è îòäåëÿÿ ñîñòàâëÿþùóþ, ñîäåðæàùóþ èñõîäíîå ñîîáùåíèå (cos Wt), ïîëó÷èì, ÷òî íà RÍ âûõîäíîå íàïðÿæåíèå uW = UW cos Wt = àUÍmRÍ (sin q q cos q) cos Wt/p. Îòñþäà ñëåäóåò, ÷òî âîññòàíàâëèâàåìîå â äåòåêòîðå íàïðÿæåíèå ñèãíàëà ñîîáùåíèÿ ïðîïîðöèîíàëüíî àìïëèòóäå íåñóùåãî êîëåáàíèÿ UÍ è ãëóáèíå ìîäóëÿöèè m. Îäíèì èç îñíîâíûõ ïàðàìåòðîâ äåòåêòîðà ÿâëÿåòñÿ åãî êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è, ïîêàçûâàþùèé âî ñêîëüêî ðàç àìïëèòóäà âîññòàíîâëåííîãî äåòåêòîðîì íàïðÿæåíèÿ UW îòëè÷àåòñÿ îò àìïëèòóäû ñèãíàëà ñîîáùåíèÿ, ìîäóëèðóþùåé íåñóùåå êîëåáàíèå KÄ = UW/mUÍ. Ïîäñòàâëÿÿ ñîîòâåòñòâóþùåå çíà÷åíèå UW, ïîëó÷èì, ÷òî äëÿ ëèíåéíîãî äåòåêòîðà KÄ = à(sin q q cos q)RÍ/p, òî åñòü îñòàåòñÿ ïîñòîÿííûì. Äåéñòâèòåëüíî, â ëèíåéíîì äåòåêòîðå îäèíàêîâûì ïðèðàùåíèÿì íàïðÿæåíèÿ íà äèîäå ñîîòâåòñòâóþò îäèíàêîâûå ïðèðàùåíèÿ òîêà äèîäà, à çíà÷èò, êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è ëèíåéíîãî äåòåêòîðà íå çàâèñèò îò àìïëèòóäû âõîäíîãî ñèãíàëà. Äëÿ êâàäðàòè÷íîãî äåòåêòîðà âîëüòàìïåðíàÿ õàðàêòåðèñòèêà äèîäà èìååò âèä: 12 1 2 3 2 342 2 5421 (ðèñ. 9.6).
ÃËÀÂÀ 9. ÐÀÄÈÎÏÐÈÅÌÍÛÅ ÓÑÒÐÎÉÑÒÂÀ
229
Ðèñ. 9.6
Ïðè ïîäà÷å íà âõîä äåòåêòîðà àìïëèòóäíî-ìîäóëèðîâàííîãî êîëåáàíèÿ uÀÌ(t) = UÀÌ cos wÍt ïðîòåêàþùèé ÷åðåç äèîä òîê áóäåò èìåòü ñëåäóþùèå ñîñòàâëÿþùèå: 1 9 1 3 2 1 12 728 1 3 3 2 45 45 9 362 2 65 45 6 1 9 13 28 1 2 65 1 1 1 3 3 2 45 45 9 362 2 765 45 6 45
Êîìïîíåíòû ñ ÷àñòîòàìè wÍ è 2wÍ áóäóò îòôèëüòðîâàíû â öåïè íàãðóçêè, à íà âûõîäå äåòåêòîðà ôîðìèðóåòñÿ íàïðÿæå1 415 òî åñòü ïðîïîðíèå, îáóñëîâëåííîå ëèøü ñëàãàåìûì 12 23 öèîíàëüíîå êâàäðàòó àìïëèòóäû ìîäóëèðîâàííîãî ñèãíàëà. Ïðè ïðèíÿòîì çàêîíå ìîäóëÿöèè UÀÌ = UÍ(1 + m cos Wt), à çíà÷èò, âîçíèêàþùèé ïðè ýòîì òîê äèîäà: 1 61 1 78923 1 2 4 351 1 123 1 23 45 2
1 78923 21 2 14 35 2 41 61 2 78941 1358 ñîäåðæèò äâå íèçêî÷àñòîòíûå ñîñòàâëÿþùèå (ñ ÷àñòîòàìè W è 2W). Îäíàêî òîëüêî ïåðâàÿ èç íèõ áóäåò ïîëåçíîé, âîññòàíàâëèâàþùåé íà RÍ íàïðÿæåíèå ñèãíàëà ñîîáùåíèÿ 11 2 2 1 345 13 2 42 21 562 345 13 6
à âòîðàÿ 111 2 341523 21 41 52 678116 ñîçäàåò íåëèíåéíûå èñêàæåíèÿ. Èõ êîýôôèöèåíò ìîæåò áûòü íàéäåí ïî ôîðìóëå Kà = U2W/UW = m/4 è ïðè 100%-é ìîäóëÿöèè (m = 1) ñîñòàâëÿåò 25%. Ïðè ìîäóëÿöèè ñèãíàëîì ñî ñëîæíûì ñïåêòðîì êîýôôèöèåíò íåëèíåéíûõ èñêàæåíèé áóäåò åùå áîëüøå, òàê êàê ïîäà÷à íà ýëåìåíò ñ êâàäðàòè÷íûì ó÷àñòêîì õàðàêòåðèñòèêè
230
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
äâóõ è áîëåå êîëåáàíèé ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ â ðåçóëüòèðóþùåì ñèãíàëå êîìáèíàöèîííûõ ÷àñòîò (ðàçäåë 8.3). Êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è êâàäðàòè÷íîãî äåòåêòîðà KÄ = = UW/mUÍ = bUÍRÍ, òî åñòü íå ïîñòîÿíåí, à çàâèñèò îò àìïëèòóäû íåñóùåãî êîëåáàíèÿ. Ýòî ëåãêî ìîæíî ïðîñëåäèòü ïî ðèñ. 9.6, íà êîòîðîì ïðèâåäåíà âîëüòàìïåðíàÿ õàðàêòåðèñòèêà äèîäà è ïîñòðîåíû ãðàôèêè òîêîâ, ïðîòåêàþùèõ ïîä äåéñòâèåì ÀÌ êîëåáàíèÿ. Èç èõ ðàññìîòðåíèÿ âèäíî, ÷òî îäèíàêîâûì ïðèðàùåíèÿì íàïðÿæåíèÿ íà äèîäå ñîîòâåòñòâóþò ðàçëè÷íûå ïðèðàùåíèÿ òîêà ÷åðåç íåãî, à çíà÷èò, è íàïðÿæåíèÿ íà íàãðóçêå, òî åñòü êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è äåòåêòîðà çàâèñèò îò âåëè÷èíû ïðèëîæåííîãî íàïðÿæåíèÿ, ïîýòîìó â âûõîäíîì êîëåáàíèè ïîÿâëÿþòñÿ äîïîëíèòåëüíûå íåëèíåéíûå èñêàæåíèÿ. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Íàðèñóéòå ïðèíöèïèàëüíóþ ñõåìó àìïëèòóäíîãî äåòåêòîðà è ðàññêàæèòå íàçíà÷åíèå åãî ýëåìåíòîâ. 2. Ðàññêàæèòå î íåëèíåéíûõ èñêàæåíèÿõ ëèíåéíîãî àìïëèòóäíîãî äåòåêòîðà. 3. ×åì êâàäðàòè÷íûé äåòåêòîð îòëè÷àåòñÿ îò ëèíåéíîãî?
9.3. ÄÅÒÅÊÒÈÐÎÂÀÍÈÅ ×ÀÑÒÎÒÍÎ-ÌÎÄÓËÈÐÎÂÀÍÍÛÕ ÑÈÃÍÀËΠÄëÿ äåòåêòèðîâàíèÿ ÷àñòîòíî-ìîäóëèðîâàííûõ êîëåáàíèé ïðèìåíÿþòñÿ ÷àñòîòíûå äåòåêòîðû, êîòîðûå ìîãóò ñòðîèòüñÿ ïî ðàçíûì ïðèíöèïàì.  ïðîñòåéøåì ñëó÷àå â íèõ îñóùåñòâëÿåòñÿ ïðåîáðàçîâàíèå ×Ì ñèãíàëà â ÀÌ ñèãíàë è äåòåêòèðîâàíèå åãî ñ ïîìîùüþ îáû÷íîãî ëèíåéíîãî äåòåêòîðà ÀÌ êîëåáàíèé. Íàèáîëåå ïðîñòî òàêîå ïðåîáðàçîâàíèå ðåàëèçóåòñÿ â äåòåêòîðå íà ðàññòðîåííîì êîíòóðå, ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà êîòîðîãî ïðèâåäåíà íà ðèñ. 9.7,à.  íåì ïðåîáðàçîâàíèå ×Ì â ÀÌ ïðîèñõîäèò ïðè ïðîõîæäåíèè ×Ì ñèãíàëà ÷åðåç êîíòóð, ðåçîíàíñíàÿ ÷àñòîòà w0 êîòîðîãî îòëè÷àåòñÿ îò ÷àñòîòû íåñóùåãî êîëåáàíèÿ wÍ. Ïðè ýòîì êîíòóð âûáèðàåòñÿ òàêèì, ÷òîáû wÍ ñîîòâåòñòâîâàëà ñåðåäèíå ëèíåéíîãî ó÷àñòêà ñêëîíà åãî ÷àñòîòíîé õàðàêòåðèñòèêè (ðèñ. 9.7,á). Ïðè ìîäóëÿöèè ðàçëè÷íûì ìãíîâåííûì çíà÷åíèÿì ÷àñòîòû (íà ðèñ. 9.7,á îíà ïðèíÿòà èçìåíÿþùåéñÿ ïî ãàðìîíè÷å-
ÃËÀÂÀ 9. ÐÀÄÈÎÏÐÈÅÌÍÛÅ ÓÑÒÐÎÉÑÒÂÀ
à
231
á
Ðèñ. 9.7
ñêîìó çàêîíó) ñîîòâåòñòâóþò ðàçíûå êîýôôèöèåíòû ïåðåäà÷è êîíòóðà, òî åñòü àìïëèòóäû âûõîäíîãî ñèãíàëà äëÿ êîëåáàíèÿ ñ ðàçëè÷íûìè ÷àñòîòàìè áóäóò ðàçíûå, à çíà÷èò, ïðîèçîéäåò ïðåîáðàçîâàíèå ×Ì êîëåáàíèÿ â ÀÌ. Çàòåì ïîëó÷åííîå êîëåáàíèå ïîäàåòñÿ íà îáû÷íûé àìïëèòóäíûé äåòåêòîð, íà âûõîäå êîòîðîãî âîññòàíàâëèâàåòñÿ ôîðìà ñèãíàëà ñîîáùåíèÿ. Íåäîñòàòêîì òàêîãî äåòåêòîðà ÿâëÿåòñÿ íå òîëüêî ñëîæíîñòü åãî íàñòðîéêè, òðåáóþùàÿ, ÷òîáû íåñóùåå êîëåáàíèå íàõîäèëîñü íà ñåðåäèíå ëèíåéíîãî ó÷àñòêà àìïëèòóäíî-÷àñòîòíîé õàðàêòåðèñòèêè êîíòóðà, íî è ïîâûøåííûå èñêàæåíèÿ, âîçíèêàþùèå çà ñ÷åò ïàðàçèòíîé àìïëèòóäíîé ìîäóëÿöèè ÷àñòîòíî-ìîäóëèðîâàííîãî ñèãíàëà. Äåéñòâèòåëüíî, â òàêîì äåòåêòîðå íàïðÿæåíèå íà åãî âûõîäå áóäåò èçìåíÿòüñÿ ïðîïîðöèîíàëüíî íå òîëüêî ÷àñòîòå, íî è àìïëèòóäå èñõîäíîãî ìîäóëèðîâàííîãî ñèãíàëà, ñîçäàâàÿ äîïîëíèòåëüíûå èñêàæåíèÿ. Äëÿ óñòðàíåíèÿ ýòîãî íà âõîäå äåòåêòîðà íåîáõîäèìî óñòàíàâëèâàòü àìïëèòóäíûå îãðàíè÷èòåëè, ïîäàâëÿþùèå ïàðàçèòíóþ ÀÌ. Íî ïðåîáðàçîâàíèå ×Ì â ÀÌ ìîæíî ïðîèçâîäèòü è äðóãèìè ñïîñîáàìè. Íàïðèìåð, â äðîáíîì äåòåêòîðå (äåòåêòîðå îòíîøåíèé) îíî âîçíèêàåò çà ñ÷åò ñäâèãà ôàç ìåæäó òîêîì è íàïðÿæåíèåì, ñóùåñòâóþùåì â êîëåáàòåëüíîì êîíòóðå è ñïîñîáíûì âáëèçè ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòû èçìåíÿòü ñâîé çíàê. Ðàññìîòðèì ïîäðîáíåå ðàáîòó òàêîãî äåòåêòîðà (ñì. ðèñ. 9.8). Ïðè èíäóêòèâíîé (òðàíñôîðìàòîðíîé) ñâÿçè êàòóøåê (L1 è L2, ðèñ. 9.8,à) êîëåáàòåëüíûé êîíòóð L2, Ñ2 ïî îòíîøåíèþ ê ÝÄÑ, íàâîäèìîé â êàòóøêå L2, ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé
232 à
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
â
á
Ðèñ. 9.8
ïîñëåäîâàòåëüíûé êîëåáàòåëüíûé êîíòóð (ðèñ. 9.8,á).  íåì íà ÷àñòîòå ðåçîíàíñà w0 âåêòîð ÝÄÑ, äåéñòâóþùåé íà âõîäíûõ çàæèìàõ êîíòóðà, ñîâïàäàåò ñ âåêòîðîì òîêà, ïðîòåêàþùåãî ÷åðåç êîíòóð. Åñëè òåêóùàÿ ÷àñòîòà (w) áîëüøå ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòû (w0), òî îáùåå ñîïðîòèâëåíèå êîíòóðà èìååò èíäóêòèâíûé õàðàêòåð, è ïðîòåêàþùèé ÷åðåç íåãî òîê îòñòàåò îò ÝÄÑ. Åñëè ÷àñòîòà ìåíüøå ðåçîíàíñíîé, òî îáùåå ñîïðîòèâëåíèå êîíòóðà èìååò åìêîñòíîé õàðàêòåð, è ïðîòåêàþùèé ÷åðåç íåãî òîê îïåðåæàåò ÝÄÑ. Èìåííî íà ýòîì îñíîâàíî ïðåîáðàçîâàíèå ×Ì ñèãíàëà â ÀÌ. Ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà äðîáíîãî äåòåêòîðà ïðèâåäåíà íà ðèñ. 9.8,â. Èç åå ðàññìîòðåíèÿ âèäíî, ÷òî ñõåìà ñèììåòðè÷íà îòíîñèòåëüíî ãîðèçîíòàëè, ïðîõîäÿùåé ÷åðåç ñðåäíèé âûâîä êàòóøêè L2 (òî÷êè ñîåäèíåíèÿ L21 è L22), è êàæäóþ åå ïîëîâèíó ìîæíî ðàññìîòðåòü îòäåëüíî. Ïîýòîìó ðàññìîòðèì âåðõíþþ ïîëîâèíó, âêëþ÷àþùóþ L21, L3, ÑÍ1, VD1. Ýëåìåíòû VD1 è ÑÍ1 îòíîñÿòñÿ óæå ê äåòåêòîðó ÀÌ êîëåáàíèé, à ïðåîáðàçîâàíèå ×Ì êîëåáàíèÿ â ÀÌ ïðîèñõîäèò íà åãî âõîäå, òî åñòü ìåæäó òî÷êàìè à è á. Âñå òðè êàòóøêè èíäóêòèâíîñòè, èñïîëüçóåìûå â äåòåêòîðå (L1, L2 è L3), íàìîòàíû íà îáùåì ñåðäå÷íèêå è ÿâëÿþòñÿ èíäóêòèâíî ñâÿçàííûìè. Ïðè ýòîì ñâÿçü ìåæäó êàòóøêàìè L1 è L3 ÿâëÿåòñÿ íàèáîëåå ñèëüíîé, ÷òî äîïîëíèòåëüíî îáåñïå÷èâàåòñÿ ñîåäèíåíèåì èõ ïàðàëëåëüíî ñ ïîìîùüþ êîíäåíñàòîðà Ñ3, â ðåçóëüòàòå ÷åãî íàïðÿæåíèÿ íà ýòèõ êàòóøêàõ îêàçûâàþòñÿ ñèíôàçíûìè. Ïîñòðîèì âåêòîðíóþ äèàãðàììó íàïðÿæåíèé è òîêîâ, äåéñòâóþùèõ â òàêîì äåòåêòîðå.  êà÷åñòâå áàçîâîãî âûáåðåì âåêòîð íàïðÿæåíèÿ U1 íà êîíòóðå L1Ñ1, ñîâïàäàþùèé ñ íàïðÿæåíèåì U3 íà êàòóøêå L3 (ðèñ. 9.9,à).
233
ÃËÀÂÀ 9. ÐÀÄÈÎÏÐÈÅÌÍÛÅ ÓÑÒÐÎÉÑÒÂÀ
Ïîä äåéñòâèåì íàïðÿæåíèÿ U1 ÷åðåç êàòóøêó êîíòóðà L1 ïðîòåêàåò òîê I1, îòñòàþùèé îò íàïðÿæåíèÿ U1 íà óãîë, ðàâíûé 90°. Ýòîò òîê íàâîäèò â êîíòóðå L2Ñ2 ÝÄÑ ñàìîèíäóêöèè Å2, îòñòàþùóþ îò I1 òàêæå íà 90° (Å2 = jwM12I1, ãäå Ì12 êîýôôèöèåíò âçàèìíîé èíäóêòèâíîñòè ìåæäó L2 è L1). Êàê óêàçûâàëîñü âûøå, ïî îòíîøåíèþ ê ýòîé ÝÄÑ êîíòóð L2Ñ2 ìîæåò áûòü ðàññìîòðåí êàê ïîñëåäîâàòåëüíûé, è ïðè ñîâïàäåíèè ÷àñòîòû ïîäàííîãî ñèãíàëà ñ ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòîé êîíòóðà w0 òîê â íåì I2 ñîâïàäàåò ïî ôàçå ñ Å2. Ýòîò òîê ñîçäàåò íà L21 íàïðÿæåíèå U21, îïåðåæàþùåå I2 íà óãîë, ðàâíûé 90°. Òîãäà íàïðÿæåíèå UVD1, äåéñòâóþùåå íà âõîäå äåòåêòîðà ÀÌ êîëåáàíèé (VD1), ðàâíî âåêòîðíîé ñóììå U21 è U3 (ðèñ. 9.9,à). Íàïðÿæåíèÿ íà ïðîòèâîïîëîæíûõ âûâîäàõ L2 ïî îòíîøåíèþ ê åå ñðåäíåìó âûâîäó ïðîòèâîôàçíû, è ê ýòîìó æå âûâîäó ïîäêëþ÷åíà êàòóøêà L3, ïîýòîìó íà âåêòîðíîé äèàãðàììå ðèñ. 9.9,à ïî îòíîøåíèþ ê U3 íàïðÿæåíèå U22, íàâîäèìîå íà êàòóøêå L22, äîëæíî áûòü îòëîæåíî â ïðîòèâîïîëîæíóþ îò U21 ñòîðîíó. Îíî ñîâìåñòíî ñ U3 îáðàçóåò íàïðÿæåíèå UVD2 íà âõîäå âòîðîãî äåòåêòîðà ÀÌ êîëåáàíèé (VD2). Ðàññìîòðèì èçìåíåíèÿ, ïðîèñõîäÿùèå ñ èçìåíåíèåì ÷àñòîòû ïîäàâàåìîãî ñèãíàëà (w). Ïðåäïîëîæèì w > w0. Ïåðâîíà÷àëüíûé ýòàï ïîñòðîåíèÿ âåêòîðíîé äèàãðàììû (âïëîòü äî Å2) îñòàåòñÿ òåì æå ñàìûì. Êàê ïðàâèëî, äîáðîòíîñòü êîíòóðà L1Ñ1 âûáèðàåòñÿ äîñòàòî÷íî íèçêîé, ïîýòîìó äëÿ ïðîñòîòû ñ÷èòàåì â ïîëîñå ×Ì ñèãíàëà ñîïðîòèâëåíèå êîíòóðà ÷èñòî àêòèâíûì, òî åñòü ïðåíåáðåãàåì èçìåíåíèåì ñäâèãà ôàç ìåæäó U1 è I1. Íî â êîíòóðå L2Ñ2 âñå èíà÷å: åãî îáùåå ñîïðîòèâëåíèå ïðè w > w0 èìååò èíäóêòèâíûé õàðàêòåð, ïîýòîìó òîê I2 îòñòàåò îò ÝÄÑ Å2 (ðèñ. 9.9,á). Òîãäà íàïðÿæåíèå U21, îïåðåæàþùåå I2 à
á
â
Ðèñ. 9.9
234
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
íà 90°, óæå íå ñîâïàäàåò ñ I1, è íàïðÿæåíèå UVD1 íà äåòåêòîðå ÀÌ êîëåáàíèé (VD1), îïðåäåëÿåìîå âåêòîðíîé ñóììîé U3 è U21, ñòàíîâèòñÿ ìåíüøå ïåðâîíà÷àëüíîãî. Ñëåäîâàòåëüíî, ïðîèçîøëî ïðåîáðàçîâàíèå èçìåíåíèÿ ÷àñòîòû â èçìåíåíèå àìïëèòóäû ñèãíàëà, äåéñòâóþùåãî íà äåòåêòîðå ÀÌ êîëåáàíèé, òî åñòü ×Ì â ÀÌ. Íàïðÿæåíèå U22 âñå òàê æå ñäâèíóòî îòíîñèòåëüíî U21 íà 180°, ÷òî ïðèâîäèò ê óâåëè÷åíèþ íàïðÿæåíèÿ UVD2. Àíàëîãè÷íî, ïðè óìåíüøåíèè ÷àñòîòû ïîäàâàåìîãî ñèãíàëà ïî ñðàâíåíèþ ñ ÷àñòîòîé ðåçîíàíñà êîíòóðà w0 îáùåå ñîïðîòèâëåíèå ïîñëåäîâàòåëüíîãî êîíòóðà èìååò åìêîñòíîé õàðàêòåð, è òîê I2 îïåðåæàåò ÝÄÑ Å2 (ðèñ. 9.9,â).  ýòîì ñëó÷àå íàïðÿæåíèå U21, îïåðåæàþùåå I2 íà 90°, îïåðåæàåò òîê I1, è íàïðÿæåíèå UVD1 íà äåòåêòîðå ÀÌ êîëåáàíèé (VD1) ñòàíîâèòñÿ áîëüøå ïåðâîíà÷àëüíîãî. Ñîîòâåòñòâóþùèì îáðàçîì èçìåíÿåòñÿ è íàïðÿæåíèå UVD2. Ïðè ïðîèñõîäÿùèõ èçìåíåíèÿõ äëèí âåêòîðîâ UVD1 è UVD2 èõ ñóììà îñòàåòñÿ îäíîé è òîé æå, ÷òî ïîçâîëÿåò ñîåäèíÿòü ìåæäó ñîáîé êàòîä äèîäà VD1 ñ àíîäîì VD2 êîíäåíñàòîðîì áîëüøîé åìêîñòè Ñ. Ïðè ýòîì íàïðÿæåíèÿ íà íåì, à çíà÷èò, è íà ðåçèñòîðàõ RÍ1 è RÍ2 îñòàþòñÿ íåèçìåííûìè. Âûõîäíîå íàïðÿæåíèå äåòåêòîðà ôîðìèðóåòñÿ ìåæäó òî÷êàìè á è â (ðèñ. 9.8,â) è ðàâíî ðàçíîñòè íàïðÿæåíèé íà êîíäåíñàòîðå ÑÍ1 è ðåçèñòîðå RÍ1 (èëè ïàðàëëåëüíî ñîåäèíåííûõ èì êîíäåíñàòîðå ÑÍ2 è ðåçèñòîðå RÍ2). Ïðè ïîäà÷å íà äåòåêòîð íåìîäóëèðîâàííîãî êîëåáàíèÿ ýòè íàïðÿæåíèÿ ðàâíû ìåæäó ñîáîé, è âûõîäíîå íàïðÿæåíèå äåòåêòîðà ðàâíî íóëþ. Ïðè ×Ì êîëåáàíèè óâåëè÷åíèå íàïðÿæåíèÿ íà ÑÍ1 ôîðìèðóåò ïîëîæèòåëüíóþ ïîëóâîëíó âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ äåòåêòîðà, à óìåíüøåíèå îòðèöàòåëüíóþ. Íåèçìåííîñòü íàïðÿæåíèÿ íà êîíäåíñàòîðå Ñ ïðèâîäèò ê âîçìîæíîñòè àâòîìàòè÷åñêîãî ïîäàâëåíèÿ â äðîáíîì äåòåêòîðå ïàðàçèòíîé ÀÌ, ñóùåñòâóþùåé â èñõîäíîì ×Ì ñèãíàëå. Äåéñòâèòåëüíî, åñëè çà ñ÷åò íàëè÷èÿ ïàðàçèòíîé ÀÌ àìïëèòóäà ×Ì ñèãíàëà óâåëè÷èòñÿ, òî âîçðàñòåò äëèòåëüíîñòü ïðîïóñêàíèÿ òîêà îáîèìè äèîäàìè (VD1 è VD2). Ýòî óâåëè÷èâàåò øóíòèðóþùåå âëèÿíèå íàãðóçêè íà êîëåáàòåëüíûé êîíòóð L2Ñ2, ñíèæàåò åãî äîáðîòíîñòü, à çíà÷èò, ôîðìèðóåìîå íà êîíòóðå íàïðÿæåíèå. È, íàîáîðîò, ïðè óìåíüøåíèè àìïëèòóäû ×Ì ñèãíàëà äëèòåëüíîñòü ïðîòåêàíèÿ òîêà ÷åðåç äèîäû óìåíüøàåòñÿ, øóíòèðóþùåå âëèÿ-
ÃËÀÂÀ 9. ÐÀÄÈÎÏÐÈÅÌÍÛÅ ÓÑÒÐÎÉÑÒÂÀ
235
íèå íàãðóçêè îñëàáëÿåòñÿ, äîáðîòíîñòü è íàïðÿæåíèå íà êîíòóðå âîçðàñòàþò.  íàñòîÿùåå âðåìÿ â ñâÿçè ñ øèðîêèì ðàçâèòèåì èíòåãðàëüíûõ òåõíîëîãèé â äåòåêòîðàõ ×Ì êîëåáàíèé âñå áîëüøå èñïîëüçóþò ïðåîáðàçîâàíèå ×Ì êîëåáàíèé â èìïóëüñíîå íàïðÿæåíèå ñ ïåðåìåííîé ñêâàæíîñòüþ. Òàêèå äåòåêòîðû ñõåìîòåõíè÷åñêè áîëåå ñëîæíû, èñïîëüçóþò ýëåìåíòû öèôðîâîé òåõíèêè, îäíàêî íå èìåþò êàòóøåê èíäóêòèâíîñòè è î÷åíü óäîáíû ïðè èçãîòîâëåíèè â èíòåãðàëüíûõ ìèêðîñõåìàõ. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Ðàññêàæèòå îá èçâåñòíûõ âàì ñïîñîáàõ ïîñòðîåíèÿ äåòåêòîðîâ ×Ì êîëåáàíèé. 2. Íàðèñóéòå ñõåìó äðîáíîãî äåòåêòîðà, ïîñòðîéòå âåêòîðíûå äèàãðàììû, ïîÿñíÿþùèå åãî ðàáîòó. 3. ×åì äåòåêòîð íà ðàññòðîåííîì êîíòóðå îòëè÷àåòñÿ îò äðîáíîãî äåòåêòîðà?
ÃËÀÂÀ ÄÅÑßÒÀß
ÒÅËÅÂÈÄÅÍÈÅ
Âñþ ïîëíîòó îêðóæàþùåãî ìèðà ÷åëîâåê âîñïðèíèìàåò ñ ïîìîùüþ çðåíèÿ, ñëóõà, îñÿçàíèÿ, îáîíÿíèÿ è âêóñà, ïðåîáëàäàþùèì èç êîòîðûõ ÿâëÿåòñÿ çðåíèå. ×åðåç çðåíèå, ïî äàííûì ñïåöèàëèñòîâ, ÷åëîâåê âîñïðèíèìàåò 8085% âñåõ îùóùåíèé. Èìåííî ïîýòîìó ÷åëîâå÷åñòâî â òå÷åíèå ïî÷òè âñåãî âðåìåíè ñâîåãî ðàçâèòèÿ ñîçäàâàëî è ñîâåðøåíñòâîâàëî çðèòåëüíûå îáðàçû âîñïðîèçâåäåíèÿ îêðóæàþùåé ñðåäû: íàñêàëüíûå ðèñóíêè, êàðòèíû, ôîòîãðàôèè, êèíî. Îäíàêî ïåðâûå èç íèõ ÿâëÿþòñÿ ñòàòè÷åñêèìè, à ïîñëåäíåå, ó÷èòûâàÿ äëèòåëüíîñòü ïðîöåññà îáðàáîòêè ïëåíêè, íå ïîçâîëÿåò îïåðàòèâíî ïåðåäàâàòü çðèòåëüíóþ èíôîðìàöèþ. Ðåøåíèå ýòèõ âîïðîñîâ îêàçàëîñü âîçìîæíûì ñ èçîáðåòåíèåì òåëåâèäåíèÿ. Òåëåâèäåíèåì íàçûâàåòñÿ îáëàñòü ñîâðåìåííîé ðàäèîýëåêòðîíèêè, îáåñïå÷èâàþùàÿ îïåðàòèâíóþ ïåðåäà÷ó è ïðèåì äâèæóùèõñÿ (èçìåíÿþùèõñÿ) èçîáðàæåíèé ïðåäìåòîâ, ðàñïîëîæåííûõ â ïðîñòðàíñòâå, ýëåêòðè÷åñêèìè ñðåäñòâàìè ñâÿçè. Ïåðåäàòü ïîëíîñòüþ çðèòåëüíûé îáðàç ñëèòíîãî ïðåäìåòà ñðåäñòâàìè ðàäèîòåõíèêè íåâîçìîæíî: ïî ãîðèçîíòàëè è âåðòèêàëè îí ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñî÷åòàíèå ó÷àñòêîâ ðàçëè÷íîé ñâåòîâîé èíòåíñèâíîñòè, êîòîðûå íå ìîãóò áûòü ïåðåäàíû îäíîâðåìåííî. Ïîýòîìó çàäà÷åé òåëåâèäåíèÿ ÿâëÿåòñÿ ñîçäàíèå òåõíè÷åñêèìè ñðåäñòâàìè èëëþçèè öåëîñòíîñòè âîñïðîèçâîäèìîãî çðèòåëüíîãî îáðàçà èñõîäíîãî ïðåäìåòà. Îðãàíîì, ïîëó÷àþùèì çðèòåëüíóþ èíôîðìàöèþ, ÿâëÿåòñÿ ãëàç, ïîýòîìó òåëåâèçèîííàÿ ñèñòåìà äîëæíà ñòðîèòüñÿ ñ ó÷åòîì ñâîéñòâ íàøåãî çðåíèÿ.
ÃËÀÂÀ 10. ÒÅËÅÂÈÄÅÍÈÅ
237
10.1. ÑÂÎÉÑÒÂÀ ÃËÀÇÀ È ÈÕ ÈÑÏÎËÜÇÎÂÀÍÈÅ Â ÒÅËÅÂÈÄÅÍÈÈ ×åëîâå÷åñêèé ãëàç ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñëîæíóþ ñèñòåìó âîñïðèÿòèÿ çðèòåëüíîé èíôîðìàöèè. Îí âêëþ÷àåò â ñåáÿ îïòè÷åñêóþ ñèñòåìó, ñ ïîìîùüþ êîòîðîé èçîáðàæåíèå îêðóæàþùèõ ïðåäìåòîâ ôîðìèðóåòñÿ íà ñåò÷àòêå (ñåò÷àòîé îáîëî÷êå ãëàçà). Ïîñëåäíÿÿ ñîñòîèò èç ñâåòî÷óâñòâèòåëüíûõ íåðâíûõ îêîí÷àíèé ôîòîðåöåïòîðîâ. Ñóùåñòâóþò äâà âèäà ôîòîðåöåïòîðîâ: êîëáî÷êè è ïàëî÷êè. Êîëáî÷êè õàðàêòåðèçóþòñÿ áîëüøîé ðàçðåøàþùåé ñïîñîáíîñòüþ, öâåòî÷óâñòâèòåëüíîñòüþ (ñïîñîáíîñòüþ ðàçëè÷àòü öâåòà), íî ìàëîé ñâåòî÷óâñòâèòåëüíîñòüþ. Äëÿ èõ âîçáóæäåíèÿ íåîáõîäèì çíà÷èòåëüíûé ñâåòîâîé ïîòîê, ïîýòîìó êîëáî÷êè âîñïðèíèìàþò çðèòåëüíóþ èíôîðìàöèþ òîëüêî äíåì èëè ïðè çíà÷èòåëüíîé îñâåùåííîñòè ïðåäìåòîâ. Ïàëî÷êè íàîáîðîò, èìåþò áîëüøóþ ñâåòîâóþ ÷óâñòâèòåëüíîñòü, íî íå îáëàäàþò ñïîñîáíîñòüþ ðàçëè÷àòü öâåòà è èìåþò ìàëóþ ðàçðåøàþùóþ ñïîñîáíîñòü. Ïîýòîìó îíè ÿâëÿþòñÿ àïïàðàòîì ñóìåðå÷íîãî âèäåíèÿ, êîãäà íåäîñòàòî÷íàÿ îñâåùåííîñòü íå ïîçâîëÿåò âîñïðèíèìàòü öâåòîâóþ çðèòåëüíóþ èíôîðìàöèþ êîëáî÷êàìè. Èìåííî ïîýòîìó èçâåñòíàÿ ïîñëîâèöà ãëàñèò: íî÷üþ âñå êîøêè ñåðûå. Ïåðåõîä ïðè âîñïðèÿòèè èçîáðàæåíèÿ ñ ïàëî÷åê íà êîëáî÷êè ìû ìîæåì ëåãêî íàáëþäàòü, åñëè, íàïðèìåð, áóäåì èäòè ïî äîðîãå ê ëåñó. Ñíà÷àëà, êîãäà îí äàëåêî, ëåñ áóäåò êàçàòüñÿ îäíîîáðàçíîé òåìíîé ìàññîé ýòîò îáðàç âîñïðèíèìàåòñÿ ïàëî÷êàìè ñåò÷àòêè. Ïî ìåðå ïðèáëèæåíèÿ ìû íà÷èíàåì ðàçëè÷àòü öâåò äåðåâüåâ, à çàòåì è ñàìè äåðåâüÿ òåïåðü îòðàæåííîãî îò ëåñà ñâåòà äîñòàòî÷íî äëÿ âîçáóæäåíèÿ êîëáî÷åê ñåò÷àòêè ãëàçà. Ïîýòîìó äëÿ ñîçäàíèÿ îùóùåíèÿ öâåòà ïðåäìåòà íåîáõîäèìî ëèáî ìåëêèå ïðåäìåòû ïåðåäàâàòü ñ ïîâûøåííîé èíòåíñèâíîñòüþ, ëèáî ñ ìåíüøåé èíòåíñèâíîñòüþ ïåðåäàâàòü êðóïíûå èçîáðàæåíèÿ ñ òåì, ÷òîáû âîçáóäèòü íàèáîëüøåå êîëè÷åñòâî êîëáî÷åê. Ïðè ðàçðàáîòêå ñèñòåì öâåòíîãî òåëåâèäåíèÿ èñïîëüçóåòñÿ òðåõêîìïîíåíòíàÿ òåîðèÿ öâåòîâîãî âîñïðèÿòèÿ, ïî êîòîðîé äîïóñêàåòñÿ ñóùåñòâîâàíèå òðåõ âèäîâ êîëáî÷åê, êàæäûé èõ êîòîðûõ ðåàãèðóåò òîëüêî íà îäèí èç öâåòîâ: êðàñíûé,
238
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
ñèíèé èëè çåëåíûé. Ýòè öâåòà ÿâëÿþòñÿ îñíîâíûìè, âçàèìîíåçàâèñèìûìè, è ëþáîé èç íèõ íå ìîæåò áûòü ïîëó÷åí ñìåøåíèåì îñòàëüíûõ äâóõ öâåòîâ. Äðóãèå æå öâåòà, âîñïðèíèìàåìûå íàøèì ãëàçîì, ìîãóò áûòü ïîëó÷åíû âîçáóæäåíèåì ýòèõ êîëáî÷åê ñâåòîâûì ïîòîêîì ðàçëè÷íîé èíòåíñèâíîñòè. ×óâñòâèòåëüíîñòü ãëàçà ê ðàçëè÷íûì öâåòàì íåîäèíàêîâà, íàïðèìåð, íàèáîëåå èíòåíñèâíî îí ðåàãèðóåò íà çåëåíûé öâåò. Çðèòåëüíîå âîñïðèÿòèå âñåõ îñòàëüíûõ öâåòîâ ðåçêî ïàäàåò. Åñëè æå êîëáî÷êè âîçáóæäàþòñÿ âñåìè âîëíàìè îïòè÷åñêîãî äèàïàçîíà (380
780 íì), èìåþùèìè îäèíàêîâóþ èíòåíñèâíîñòü, òî ó ÷åëîâåêà âîçíèêàåò îùóùåíèå áåëîãî öâåòà. Öåíòðàëüíàÿ ÷àñòü ñåò÷àòêè (ñ óãëîâûìè ðàçìåðàìè 1
3°) ñîäåðæèò òîëüêî êîëáî÷êè, âñÿ îñòàëüíàÿ è êîëáî÷êè è ïàëî÷êè, ïðè÷åì ïî ìåðå óäàëåíèÿ îò öåíòðà ïëîòíîñòü êîëáî÷åê ïàäàåò, à ïàëî÷åê îñòàåòñÿ ïðèìåðíî ïîñòîÿííîé. Ïîëå çðåíèÿ ãëàçà äîñòàòî÷íî âåëèêî è ñîñòàâëÿåò 120
130°, îäíàêî íàèáîëüøàÿ çðèòåëüíàÿ èíôîðìàöèÿ ïîñòóïàåò ñ íåáîëüøîãî ó÷àñòêà, íàçûâàåìîãî ïðîñòðàíñòâåííûì óãëîì ÿñíîãî çðåíèÿ. Ýòî ïëîùàäêà, íà êîòîðóþ íàïðàâëåí âçãëÿä ïðÿìî ñìîòðÿùåãî ÷åëîâåêà, èìåþùàÿ óãëîâûå ðàçìåðû ïî âåðòèêàëè 12° (±6° îò íàïðàâëåíèÿ âçãëÿäà), à ïî ãîðèçîíòàëè 16° (±8°). Ñëåäóþùèì ñâîéñòâîì ãëàçà ÿâëÿåòñÿ åãî ðàçðåøàþùàÿ ñïîñîáíîñòü (d) íàèìåíüøåå óãëîâîå ðàññòîÿíèå ìåæäó äâóìÿ ñâåòÿùèìèñÿ òî÷êàìè, ïðè êîòîðîì íàáëþäàòåëü âèäèò ýòè òî÷êè ðàçäåëüíî. Ðàçðåøàþùàÿ ñïîñîáíîñòü â çíà÷èòåëüíîé ñòåïåíè çàâèñèò îò ÿðêîñòè òî÷åê è êîíòðàñòíîñòè èõ ñ ôîíîì. Èññëåäîâàíèÿ ïîêàçûâàþò, ÷òî ñðåäíåå çíà÷åíèå d = 1¢ (îäíà óãëîâàÿ ìèíóòà). Òàêèì îáðàçîì, åñëè íàðèñîâàòü äâå ïàðàëëåëüíûå ëèíèè è ñìîòðåòü íà íèõ ñ ðàññòîÿíèÿ, ïðè êîòîðîì óãîë ìåæäó íèìè ñîñòàâèò 1¢, òî ÷åëîâå÷åñêèé ãëàç âîñïðèìåò ýòè ëèíèè êàê åäèíîå öåëîå. Ñëåäîâàòåëüíî, âñå ïåðåäàâàåìîå èçîáðàæåíèå ìîæíî ïðåäñòàâèòü ñîñòîÿùèì èç îòäåëüíûõ ëèíèé, óãëîâîå ðàññòîÿíèå ìåæäó êîòîðûìè ìåíüøå 1¢, à çíà÷èò, ìîæíî ïåðåäàâàòü íå öåëèêîì èçîáðàæåíèå, à òîëüêî åãî ó÷àñòêè, íàõîäÿùèåñÿ íà ýòèõ ëèíèÿõ. Åñëè ó÷åñòü, ÷òî ïî âåðòèêàëè ãðàíèöû çîíû ÿñíîãî çðåíèÿ èçîáðàæåíèÿ ñîñòàâëÿþò 12°, òî ÷èñëî ñòðîê, íà êîòîðûå äîëæíî áûòü ðàçäåëåíî èçîáðàæåíèå, ñîñòàâëÿåò nÑ = 12 ´ 60¢/1¢ = 720. Ó íàñ â ñòðàíå
ÃËÀÂÀ 10. ÒÅËÅÂÈÄÅÍÈÅ
239
â êà÷åñòâå ñòàíäàðòà ïðèíÿòî nÑ = 625 ñòðîê ðàçëîæåíèÿ èçîáðàæåíèÿ. Âîçíèêàþùåå ïðè ýòîì óâåëè÷åíèå óãëîâîãî ðàññòîÿíèÿ äî 1,15¢ åùå íå âëèÿåò íà êà÷åñòâî âîñïðèÿòèÿ èçîáðàæåíèÿ. Äëÿ îáåñïå÷åíèÿ íàõîæäåíèÿ èçîáðàæåíèÿ òåëåâèçèîííîãî ýêðàíà â ïðåäåëàõ óãëà ÿñíîãî çðåíèÿ òåëåçðèòåëü äîëæåí íàõîäèòüñÿ îò ýêðàíà íà ðàññòîÿíèè lÎÏÒ » 5h, ãäå h âûñîòà ýêðàíà. Ïðè ìåíüøåì ðàññòîÿíèè ÷àñòü èçîáðàæåíèÿ ýêðàíà âûõîäèò çà çîíó çðåíèÿ ñ ìàêñèìàëüíîé ðàçðåøàþùåé ñïîñîáíîñòüþ, ïðè áîëüøåì â íåå ïîïàäàþò ïðåäìåòû, îêðóæàþùèå ýêðàí. Ïðèíÿòîå ÷èñëî ñòðîê ðàçëîæåíèÿ èçîáðàæåíèÿ (625) ïîçâîëÿåò äîñòè÷ü êîìïðîìèññà ìåæäó ïðîòèâîðå÷èâûìè òðåáîâàíèÿìè íåîáõîäèìîñòè ñóæåíèÿ ïîëîñû ÷àñòîò, çàíèìàåìîé òåëåâèçèîííûì ñèãíàëîì, âîñïðèíèìàåìîé ñëèòíîñòüþ èçîáðàæåíèÿ, íåîáõîäèìîñòüþ èñïîëüçîâàíèÿ íå÷åòíîãî ÷èñëà ñòðîê ðàçëîæåíèÿ, è óìåíüøàåò çàìåòíîñòü ïîìåõè ïèòàþùåé ñåòè íà âîñïðîèçâåäåíèå èçîáðàæåíèÿ. Ïîñëåäíåå îáóñëîâëåíî òåì, ÷òî ïðè ÷àñòîòå ñòðî÷íîé ðàçâåðòêè, êðàòíîé êàäðîâîé (ðàçäåë 10.2), ïîìåõà, èìåþùàÿ ÷àñòîòó, ðàâíóþ ÷àñòîòå ïèòàþùåé ñåòè, ñîçäàåò íà ýêðàíå êèíåñêîïà èçìåíåíèå ÿðêîñòè ñèãíàëà, êîòîðîå âñåãäà áóäåò íàõîäèòüñÿ íà îäíîì è òîì æå ìåñòå, òî åñòü íåïîäâèæíî, à çíà÷èò, åå ìåøàþùåå äåéñòâèå áóäåò ñëàáî çàìåòíî. Íåîáõîäèìîñòü ñóæåíèÿ ïîëîñû ÷àñòîò, çàíèìàåìîé òåëåâèçèîííûì ñèãíàëîì, è èñïîëüçîâàíèÿ íå÷åòíîãî ÷èñëà ñòðîê ðàçëîæåíèÿ èçîáðàæåíèÿ áóäóò ðàññìîòðåíû äàëåå, â ñîîòâåòñòâóþùèõ ðàçäåëàõ. Ñëåäóþùåé õàðàêòåðèñòèêîé çðåíèÿ ÿâëÿåòñÿ åãî èíåðöèîííîñòü ñïîñîáíîñòü çðåíèÿ ñîõðàíÿòü îùóùåíèå îáúåêòà â òå÷åíèå íåêîòîðîãî âðåìåíè ïîñëå ïðåêðàùåíèÿ åãî âîçäåéñòâèÿ.  ýòîì ñëó÷àå ãëàç ïðîäîëæàåò êàê áû «âèäåòü» èñòî÷íèê ñâåòà ïîñëå åãî âûêëþ÷åíèÿ, òî åñòü êîãäà â äåéñòâèòåëüíîñòè åãî èçëó÷åíèå ïðåêðàòèëîñü.  èíåðöèîííîñòè çðåíèÿ ëåãêî óáåäèòüñÿ íà ïðîñòîì ïðèìåðå: ïðè îñâåùåíèè ïîìåùåíèÿ îáû÷íîé ëàìïîé íàêàëèâàíèÿ ÷åëîâåê íå çàìå÷àåò ïóëüñàöèé ñâåòà, õîòÿ åå ðàçîãðåâ ïðîèñõîäèò ãàðìîíè÷åñêèì êîëåáàíèåì ñ ÷àñòîòîé ïèòàþùåé ñåòè â 50 Ãö. Åñëè ïîñëåäîâàòåëüíî ñ ëàìïîé âêëþ÷èòü äèîä, êîòîðûé óñòðàíÿåò (îáðåçàåò) îäíó ïîëóâîëíó êîëåáàíèÿ (à çíà÷èò, óìåíüøàåò ÷àñòîòó äî 25 Ãö), òî ïóëüñàöèè íàêàëèâàíèÿ ñòàíîâÿòñÿ âèäíû. ×àñòîòà, ïðè
240
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
êîòîðîé ìåëüêàíèå ÿðêîñòè èñòî÷íèêà ñòàíîâèòñÿ çàìåòíûì, çàâèñèò îò âåëè÷èíû ÿðêîñòè. Èññëåäîâàíèÿ ïîêàçûâàþò, ÷òî äëÿ ÿðêîñòåé ñîâðåìåííûõ òåëåâèçîðîâ ÷àñòîòà ïîâòîðåíèé çàñâåòêè òî÷êè ýêðàíà, ïðè êîòîðîé çðèòåëü ïåðåñòàåò çàìå÷àòü èçìåíåíèå ñâåòîâîãî ïîòîêà è âîñïðèíèìàåò åãî êàê íåïðåðûâíîå èçëó÷åíèå, ñîñòàâëÿåò 46
48 Ãö. Òàêèì îáðàçîì, åñëè ëþáóþ òî÷êó ýêðàíà çàñâå÷èâàòü ñ òàêîé ÷àñòîòîé, òî ñîçäàåòñÿ èëëþçèÿ åå ïîñòîÿííîãî ñâå÷åíèÿ. Äðóãîé âàæíîé îñîáåííîñòüþ òåëåâèçèîííûõ èçîáðàæåíèé, ñâÿçàííîé ñ èíåðöèîííîñòüþ çðåíèÿ, ÿâëÿåòñÿ îáåñïå÷åíèå ñëèòíîñòè äâèæåíèÿ ïåðåìåùàþùèõñÿ îáúåêòîâ. Òàê æå, êàê è â êèíî, èçîáðàæåíèå â òåëåâèäåíèè ïåðåäàåòñÿ êàäðàìè, ïîýòîìó è çäåñü äëÿ îáåñïå÷åíèÿ âîñïðèÿòèÿ åñòåñòâåííîé ïëàâíîñòè äâèæåíèÿ åãî ðàçáèâàþò íà îòäåëüíûå ôàçû, ïåðåäàâàåìûå êàäðàìè. Åñëè â îäíó ñåêóíäó ïåðåäàâàòü 16
24 òàêèõ ôàç (íàáëþäàåìûõ ÷åëîâåêîì â åñòåñòâåííûõ óñëîâèÿõ çà ýòî æå âðåìÿ), òî ñîçäàåòñÿ èëëþçèÿ íåïðåðûâíîñòè äâèæåíèÿ. Åùå îäíîé îñîáåííîñòüþ çðåíèÿ ÿâëÿåòñÿ åãî êîíòðàñòíàÿ ðàçëè÷èòåëüíàÿ ñïîñîáíîñòü ñïîñîáíîñòü ãëàçà âîñïðèíèìàòü ïðèðàùåíèå ÿðêîñòè èçîáðàæåíèÿ. Îòíîøåíèå ìàêñèìàëüíîé ÿðêîñòè èçîáðàæåíèÿ (Lmax), âîñïðèíèìàåìîé ãëàçîì, ê ìèíèìàëüíîé (Lmin), îãðàíè÷åííîé ñîáñòâåííûìè øóìàìè çðèòåëüíîé ñèñòåìû ÷åëîâåêà, õàðàêòåðèçóåòñÿ êîíòðàñòîì (k = Lmax/Lmin). Ñïîñîáíîñòü ãëàçà ðàçëè÷èòü èçìåíåíèå ÿðêîñòè (DL) çàâèñèò îò ÿðêîñòè ôîíà LÔ, íà êîòîðîì ðàññìàòðèâàåòñÿ åå ïðèðàùåíèå. Èññëåäîâàíèÿ ïîêàçûâàþò, ÷òî âåëè÷èíà ïðèðàùåíèÿ ÿðêîñòè îòíîñèòåëüíî ÿðêîñòè ôîíà s = DL/LÔ îñòàåòñÿ ïðèìåðíî îäèíàêîâîé, îíà íàçûâàåòñÿ äèôôåðåíöèàëüíûì ïîðîãîì èëè ïîðîãîâûì êîíòðàñòîì è â ñðåäíåì ñîñòàâëÿåò s = 0,02
0,05. ×èñëî ãðàäàöèé ÿðêîñòè (À) îïðåäåëÿåòñÿ ïî ôîðìóëå À = = ln(Lmax/Lmin)/ln(1 + s). Ñðåäíèé äèàïàçîí èçìåíåíèé ÿðêîñòè, êîòîðûé ñïîñîáåí âîñïðèíèìàòü îäíîâðåìåííî ÷åëîâåê (ìàêñèìàëüíûé êîíòðàñò), ñîñòàâëÿåò ïðèìåðíî Lmax/Lmin = 100.  ýòîì ñëó÷àå ìàêñèìàëüíîå ÷èñëî ãðàäàöèé ÿðêîñòè, êîòîðîå áóäåò ðàçëè÷àòü ãëàç ïðè s = 0,05, ðàâíî À = 94. Ýòà ñïîñîáíîñòü ãëàçà èñïîëüçóåòñÿ â öèôðîâîì òåëåâèäåíèè ïðè îïðåäåëåíèè ÷èñëà êâàíòîâàíèé ÿðêîñòè èçîáðàæåíèÿ.
ÃËÀÂÀ 10. ÒÅËÅÂÈÄÅÍÈÅ
241
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Êàêèå âèäû ôîòîðåöåïòîðîâ âû çíàåòå? ×åì «êîëáî÷êè» îòëè÷àþòñÿ îò «ïàëî÷åê»? 2. Êàêèå öâåòà íàçûâàþòñÿ îñíîâíûìè, âçàèìîíåçàâèñèìûìè? 3. ×òî òàêîå ïðîñòðàíñòâåííûé óãîë ÿñíîãî çðåíèÿ? 4. ×òî òàêîå ðàçðåøàþùàÿ ñïîñîáíîñòü ãëàçà? 5. ×òî òàêîå èíåðöèîííîñòü çðåíèÿ? 6. Ðàññêàæèòå î êîíòðàñòíîé ðàçëè÷èòåëüíîé ñïîñîáíîñòè ãëàçà.
10.2. ÒÅËÅÂÈÇÈÎÍÍÛÉ ÂÈÄÅÎÑÈÃÍÀË È ÅÃÎ ÑÎÑÒÀÂËßÞÙÈÅ Ðàññìîòðåííûå âûøå ñâîéñòâà ÷åëîâå÷åñêîãî ãëàçà ïîêàçûâàþò, ÷òî äëÿ ïåðåäà÷è òåëåâèçèîííîãî èçîáðàæåíèÿ äîñòàòî÷íî ðàçäåëèòü åãî ïî âåðòèêàëè íà 625 ñòðîê è ïî î÷åðåäè ïåðåäàâàòü èõ ïî êàíàëó ñâÿçè. Êàæäàÿ èç ñòðîê áóäåò ïðåäñòàâëÿòü ñîáîé ñî÷åòàíèå ó÷àñòêîâ ðàçëè÷íîé ñâåòîâîé èíòåíñèâíîñòè, êîòîðûå íåîáõîäèìî ïðåîáðàçîâàòü â ïîñëåäîâàòåëüíî è ïðîïîðöèîíàëüíî èçìåíÿþùóþñÿ âåëè÷èíó ýëåêòðè÷åñêîãî íàïðÿæåíèÿ. Äëÿ ýòèõ öåëåé ïðèìåíÿþò îïòîýëåêòðè÷åñêèå ïðåîáðàçîâàòåëè, âõîäÿùèå â ñîñòàâ ïåðåäàþùèõ òåëåâèçèîííûõ òðóáîê. Áîëüøèíñòâî ïðåîáðàçîâàòåëåé èñïîëüçóþò ÿâëåíèå âíåøíåãî è âíóòðåííåãî ôîòîýôôåêòà. Ñóùíîñòü ôîòîýôôåêòà çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî â âåùåñòâå ïîä âîçäåéñòâèåì ñâåòîâûõ ëó÷åé ýëåêòðîíû ïîëó÷àþò äîïîëíèòåëüíóþ ýíåðãèþ, ïîçâîëÿþùóþ èì îòîðâàòüñÿ îò àòîìîâ.  óñòðîéñòâàõ ñ âíåøíèì ôîòîýôôåêòîì ïðîèñõîäèò èñïóñêàíèå ýëåêòðîíîâ, êîòîðûå ñîçäàþò ôîòîýìèññèîííûé òîê, ïðîòåêàþùèé ïî íàãðóçêå, ïîäñîåäèíåííîé ê òàêîìó óñòðîéñòâó.  óñòðîéñòâàõ ñ âíóòðåííèì ôîòîýôôåêòîì ýëåêòðîíû îñòàþòñÿ â âåùåñòâå, óâåëè÷èâàÿ åãî ýëåêòðîïðîâîäíîñòü. Ïîñëåäîâàòåëüíîå ñîåäèíåíèå òàêîãî óñòðîéñòâà ñ íàãðóçêîé è èñòî÷íèêîì ïèòàíèÿ ïîçâîëÿåò ïðîïîðöèîíàëüíî ñâåòîâîìó ïîòîêó èçìåíÿòü íàïðÿæåíèå íà íàãðóçêå. Åñëè ïîñëåäîâàòåëüíî èçìåðÿòü è ïåðåäàâàòü íàïðÿæåíèÿ, ñîîòâåòñòâóþùèå ñâåòîâîé èíòåíñèâíîñòè ðàçëè÷íûõ ïîñëåäîâàòåëüíûõ ó÷àñòêîâ ñòðîêè, òî ïîëó÷èòñÿ ñèãíàë, íàçûâàåìûé ÿðêîñòíûì.  íåì ó÷àñòêàì ìàêñèìàëüíîé ñâåòîâîé èíòåíñèâíîñòè ñîîòâåòñòâóþò ó÷àñòêè ñ ìàêñèìàëüíûì íàïðÿæåíèåì (óðîâåíü áåëîãî), ó÷àñòêàì ñ ìèíèìàëüíîé èíòåíñèâíîñòüþ
242
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
ìèíèìàëüíîå íàïðÿæåíèå (óðîâåíü ÷åðíîãî), âñå îñòàëüíûå ñîîòâåòñòâóþò ïðîìåæóòî÷íûì èíòåíñèâíîñòÿì ñâåòà (ðèñ. 10.1).  ýëåêòðîííî-ëó÷åâîé òðóáêå òåëåâèçèîííîãî ïðèåìíèêà, íàçûâàåìîé êèíåñêîïîì, ëó÷, ïîñëåäîâàòåëüíî ïåðåìåùàÿñü ïî ñòðîêå, ìåíÿåò ñâîþ èíòåíñèâíîñòü ïðîïîðöèîíàëüíî ýòîìó íàïðÿæåíèþ, ñîçäàâàÿ ó÷àñòêè ðàçëè÷íîé ñâåòîâîé èíòåíñèâíîñòè è âîññòàíàâëèâàÿ ïåðâîíà÷àëüíûé âèä ñòðîêè. Íàïðèìåð, ïîêàçàííûé íà ðèñ. 10.1 òåëåâèçèîííûé ñèãíàë uÒÑ ñîçäàñò íà ýêðàíå êèíåñêîïà ïîëå ñ ëèíåéíî èçìåíÿþùåéñÿ èíòåíñèâíîñòüþ ñâåòà îò ÷åðíîãî (ëåâûé êðàé ýêðàíà) äî áåëîãî (ïðàâûé êðàé). Ïðîöåññ ïîñëåäîâàòåëüíîãî, ïîî÷åðåäíîãî ïðîõîæäåíèÿ ó÷àñòêîâ èçîáðàæåíèÿ íàçûâàåòñÿ ðàçâåðòêîé. Ðàçâåðòêà èñïîëüçóåòñÿ è ïðè ðàçëîæåíèè îïòè÷åñêîãî èçîáðàæåíèÿ íà ñòðîêè, è ïðè åãî Ðèñ. 10.1 âîññòàíîâëåíèè. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ â òåëåâèçèîííîì ïðèåìíèêå èçîáðàæåíèÿ, ñîâïàäàþùåãî ñ èñõîäíûì, çàêîíû îáåèõ ðàçâåðòîê äîëæíû áûòü îäèíàêîâûìè.  êà÷åñòâå ðàçâåðòûâàþùåãî ýëåìåíòà â íàñòîÿùåå âðåìÿ èñïîëüçóåòñÿ ýëåêòðîííûé ëó÷ (ýëåêòðîííàÿ ðàçâåðòêà), ñâåòîâîé (ëàçåðíûé) ëó÷, ñâåòî÷óâñòâèòåëüíûå ýëåìåíòû òâåðäîòåëüíûõ äàò÷èêîâ âèäåîñèãíàëà è ò. ä. Îäíàêî ïîêà â òåëåâèäåíèè íàèáîëåå ÷àñòî èñïîëüçóåòñÿ ýëåêòðîííàÿ ðàçâåðòêà, êîãäà è ïðè ôîðìèðîâàíèè ÿðêîñòíîãî ñèãíàëà, è ïðè âîññòàíîâëåíèè èçîáðàæåíèÿ â êèíåñêîïå òåëåâèçèîííîãî ïðèåìíèêà èñïîëüçóåòñÿ ïåðåìåùåíèå ýëåêòðîííîãî ëó÷à. Ïðîõîæäåíèå ó÷àñòêîâ èçîáðàæåíèÿ âäîëü ñòðîêè íàçûâàåòñÿ ñòðî÷íîé ðàçâåðòêîé.  òåëåâèäåíèè èñïîëüçóåòñÿ ëèíåéíî-ñòðî÷íàÿ ïåðèîäè÷åñêàÿ ðàçâåðòêà (ðèñ. 10.2,à), êîãäà ïåðåìåùåíèå ëó÷à ïðîèñõîäèò ñ ïîñòîÿííîé ñêîðîñòüþ ñëåâà íàïðàâî, àíàëîãè÷íî ÷òåíèþ ïèñüìà (ïðÿìîé õîä ðàçâåðòêè, äëèòåëüíîñòü êîòîðîãî ÒÏÐ ðèñ. 10.2,á). Ïîñëå ïðîõîæäåíèÿ îäíîé ñòðîêè íà÷èíàåòñÿ ôîðìèðîâàíèå ñëåäóþùåé. Ïðè ýòîì ëó÷ ïåðåìåùàåòñÿ âëåâî ê íà÷àëó ñòðîêè. Ïðîöåññ âîçâðàòà ëó÷à îò êîíöà ïðåäûäóùåé ñòðîêè ê íà÷àëó ñëåäóþùåé íàçûâàåòñÿ îáðàòíûì õîäîì ëó÷à. Äëèòåëüíîñòü åãî ÒÎÁÐ äîëæíà áûòü ìèíèìàëüíîé, òàê êàê îí íå
243
ÃËÀÂÀ 10. ÒÅËÅÂÈÄÅÍÈÅ
à
á
â
Ðèñ. 10.2
ó÷àñòâóåò â îáðàáîòêå èçîáðàæåíèÿ. Êðîìå òîãî, ïðè ïåðåìåùåíèè ëó÷à ïî ýêðàíó ýëåêòðîííî-ëó÷åâîé òðóáêè òåëåâèçèîííîãî ïðèåìíèêà íà íåì ïîÿâëÿåòñÿ ñâåòÿùàÿñÿ ëèíèÿ, êîòîðàÿ óõóäøàåò êà÷åñòâî âîñïðîèçâåäåíèÿ èçîáðàæåíèÿ, ïîýòîìó íà âðåìÿ îáðàòíîãî õîäà ëó÷à òðóáêó çàïèðàþò, ïîäàâàÿ íà åå ìîäóëÿòîð íàïðÿæåíèå ãàøåíèÿ, ìåíüøåå, ÷åì ñîîòâåòñòâóþùåå óðîâíþ ÷åðíîãî (÷åðíåå ÷åðíîãî, ðèñ. 10.1). Íà ðèñ. 10.2,á ïðèâåäåíà ôîðìà íàïðÿæåíèÿ, ôîðìèðóåìîãî ãåíåðàòîðîì ñòðî÷íîé ðàçâåðòêè uÑÐ. Âðåìÿ, â òå÷åíèå êîòîðîãî ëó÷ ïðîõîäèò îò íà÷àëà îäíîé ñòðîêè ê íà÷àëó ñëåäóþùåé, íàçûâàåòñÿ ïåðèîäîì ñòðî÷íîé ðàçâåðòêè ÒÑÐ. Ïîñëå ðàçâåðòêè î÷åðåäíîé ñòðîêè ëó÷ êàæäûé ðàç ïåðåìåùàåòñÿ íà ñòðîêó íèæå (ðèñ. 10.2,à). Ïðîöåññ ïîñëåäîâàòåëüíîãî, ïîî÷åðåäíîãî ïðîõîæäåíèÿ ó÷àñòêîâ èçîáðàæåíèÿ îò ñòðîêè ê ñòðîêå íàçûâàåòñÿ êàäðîâîé ðàçâåðòêîé. Âìåñòå ñòðî÷íàÿ è êàäðîâàÿ ðàçâåðòêè îáðàçóþò ðàñòð. Ïîñëå ïðîõîæäåíèÿ âñåõ ñòðîê (â òå÷åíèå âðåìåíè ïðÿìîãî õîäà êàäðîâîé ðàçâåðòêè ÒÏÐÊ) ëó÷ âîçâðàùàåòñÿ ê íà÷àëó ïåðâîé ñòðîêè, è âåñü ïðîöåññ ïîâòîðÿåòñÿ. Âîçâðàò ëó÷à îò êîíöà ïîñëåäíåé ñòðîêè ðàçëîæåíèÿ èçîáðàæåíèÿ ê íà÷àëó ïåðâîé íàçûâàåòñÿ îáðàòíûì õîäîì êàäðîâîé ðàçâåðòêè, íà åãî âðåìÿ ÒÎÁÐÊ ýëåêòðîííî-ëó÷åâàÿ òðóáêà òîæå çàïèðàåòñÿ, äëÿ ÷åãî â òåëåâèçèîííûé ñèãíàë ââîäèòñÿ êàäðîâûé ãàñÿùèé èìïóëüñ. Ôîðìà íàïðÿæåíèÿ, ôîðìèðóåìîãî ãåíåðàòîðîì êàäðîâîé ðàçâåðòêè uÊÐ, ïîêàçàíà íà ðèñ. 10.2,â.  òåëåâèäåíèè êàäðîâàÿ ðàçâåðòêà, òàê æå êàê è ñòðî÷íàÿ, ëèíåéíàÿ, ïîýòîìó íà ëó÷ äåéñòâóþò ñðàçó äâà íàïðÿæåíèÿ, ñìåùàþùèå åãî êàê ïî ãîðèçîíòàëè, òàê è ïî âåðòèêàëè, à, ñëåäîâàòåëüíî, ðàçâîðà÷èâàþùàÿñÿ ñòðîêà íå ìîæåò áûòü ãîðèçîíòàëüíîé, à ñìåùàåòñÿ
244
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
âíèç. Âðåìÿ, â òå÷åíèå êîòîðîãî ëó÷ ïðîèçâîäèò ðàçâåðòêó âñåõ ñòðîê è âîçâðàùàåòñÿ ê íà÷àëó ïåðâîé ñòðîêè, íàçûâàåòñÿ ïåðèîäîì êàäðîâîé ðàçâåðòêè ÒÊÐ. Ïåðèîä ïîâòîðåíèÿ è íà÷àëî ñòðî÷íîé è êàäðîâîé ðàçâåðòîê ïðè ôîðìèðîâàíèè èç ïåðåäàâàåìîãî èçîáðàæåíèÿ ÿðêîñòíîãî ñèãíàëà è âîññòàíîâëåíèè èçîáðàæåíèÿ äîëæíû ñîâïàäàòü. Äëÿ ýòîãî â òåëåâèçèîííûé ñèãíàë ââîäÿò ñòðî÷íûå è êàäðîâûå ñèíõðîíèçèðóþùèå èìïóëüñû. Ïðè èõ îòñóòñòâèè èëè íåäîñòàòî÷íî ýôôåêòèâíîé ðàáîòå ñèíõðîíèçàöèé êà÷åñòâî âîññòàíîâëåíèÿ èçîáðàæåíèÿ áóäåò óõóäøàòüñÿ: ïðè ñáîÿõ ñèíõðîíèçàöèè ïî ñòðîêàì ïîÿâëÿåòñÿ ðàçìûòîñòü êîíòóðîâ èçîáðàæåíèÿ, ïî êàäðàì õàîòè÷íîå ïåðåìåùåíèå èçîáðàæåíèÿ ñâåðõó âíèç. Âñå ýòî ïðèâîäèò ê íåâîçìîæíîñòè ïðàâèëüíîãî âîññòàíîâëåíèÿ ïåðåäàâàåìîãî èçîáðàæåíèÿ. Íàïðèìåð, íà ðèñ. 10.3,à ïîêàçàí âèä íåñêîëüêèõ ñòðîê òåëåâèçèîííîãî ñèãíàëà, ôîðìèðóþùèõ íà ýêðàíå èçîáðàæåíèå áóêâû «Ï», à íà ðèñ. 10.3,á âîñïðîèçâåäåíèå èõ ïðè îòñóòñòâèè ñòðî÷íîé ñèíõðîíèçàöèè, êîãäà íà÷àëî ðàçâåðòêè ñòðîêè ïðîèñõîäèò â ïðîèçâîëüíîå âðåìÿ. à
á
Ðèñ. 10.3
Äëèòåëüíîñòü îáðàòíîãî õîäà êàäðîâîé ðàçâåðòêè ìíîãî áîëüøå äëèòåëüíîñòè ñòðî÷íîé ðàçâåðòè, è íà ýòîò ïðîìåæóòîê âðåìåíè ãåíåðàòîð ñòðî÷íîé ðàçâåðòêè òåëåâèçèîííîãî ïðèåìíèêà ìîæåò îêàçàòüñÿ áåç ñèíõðîíèçàöèè. Òîãäà íà÷àëà ïåðâûõ ñòðîê ñòðî÷íîé ðàçâåðòêè ïðèåìíèêà îêàæóòñÿ íå ñîâïàäàþùèìè ñ ïåðåäàâàåìûìè ñòðîêàìè. ×òîáû ýòîãî íå ïðîèçîøëî, ãåíåðàòîð ñòðî÷íîé ðàçâåðòêè ïðèåìíèêà äîëæåí ïðîäîëæàòü ñèíõðîííî ðàáîòàòü è ïðè ïðîõîæäåíèè êàäðîâîãî ñèíõðîíèçèðóþùåãî èìïóëüñà, äëÿ ÷åãî â íåì äåëàþò âðåçêè, îáåñïå÷èâàþùèå ñòðî÷íóþ ñèíõðîíèçàöèþ. Ñîâîêóïíîñòü ñòðî÷íûõ è êàäðîâûõ ãàñÿùèõ è ñèíõðîíèçèðóþùèõ èìïóëü-
245
ÃËÀÂÀ 10. ÒÅËÅÂÈÄÅÍÈÅ
Ðèñ. 10.4
ñîâ èíîãäà íàçûâàþò ñèíõðîñìåñüþ. Âèä ïîëíîãî òåëåâèçèîííîãî ñèãíàëà ïîêàçàí íà ðèñ. 10.4. Ñòðî÷íàÿ ðàçâåðòêà, ïðè êîòîðîé ïîñëåäîâàòåëüíî ðàçâîðà÷èâàþòñÿ î÷åðåäíûå ñòðîêè (1-ÿ, 2-ÿ, 3-ÿ è ò. ä.) íàçûâàåòñÿ ïîñòðî÷íîé èëè ïðîãðåññèâíîé. Ïðè åå îñóùåñòâëåíèè çà îäèí ïåðèîä êàäðîâîé ðàçâåðòêè (ïåðåìåùåíèè ëó÷à ïî âåðòèêàëè) ïåðåäàþòñÿ âñå ýëåìåíòû ðàçëîæåíèÿ èçîáðàæåíèÿ. Åñëè ïðèíÿòü, ÷òî ëó÷ êèíåñêîïà èìååò â ñå÷åíèè ôîðìó êðóãà, à îòíîøåíèå ãîðèçîíòàëüíîãî ðàçìåðà èçîáðàæåíèÿ ê âåðòèêàëüíîìó ñîîòâåòñòâóåò çîíå ÿñíîãî âèäåíèÿ ÷åëîâåêà (4:3), òî ÷èñëî ýëåìåíòîâ ïî âåðòèêàëè áóäåò ðàâíî ÷èñëó ñòðîê ðàçâåðòêè nÑ, à ïî ãîðèçîíòàëè nÑ ´ 4/3, òîãäà îáùåå ÷èñëî ýëåìåíòîâ ðàçëîæåíèÿ èçîáðàæåíèÿ NÈÇ = 625 ´ 625 ´ 4/3 = 5 212 500. Îíî îïðåäåëÿåò òî÷íîñòü âîñïðîèçâåäåíèÿ èçîáðàæåíèÿ, òàê êàê îäèí ýëåìåíò ÿâëÿåòñÿ ìèíèìàëüíîé çàñâå÷èâàåìîé ïëîùàäêîé. Âûäåëèòü åå ìîæíî òîëüêî íà ôîíå ñîñåäíåé ÷åðíîé (òî åñòü íåçàñâå÷åííîé), à çíà÷èò, íàèáîëüøàÿ òî÷íîñòü âîñïðîèçâåäåíèÿ áóäåò äîñòèãàòüñÿ ïðè ÷åðåäîâàíèè ÷åðíûõ è áåëûõ ïëîùàäîê. Äëÿ ñîçäàíèÿ òàêîé êàðòèíû ÷àñòîòà ìîäóëÿöèè ÿðêîñòè ëó÷à fmax îïðåäåëÿåòñÿ ïðîèçâåäåíèåì NÈÇ/2 (çàñâå÷èâàåòñÿ êàæäàÿ âòîðàÿ ïëîùàäêà) íà fÊÀÄÐ ÷èñëî êàäðîâ, âîñïðîèçâîäèìûõ çà ñåêóíäó, ïðè fÊÀÄÐ = 50 Ãö âåëè÷èíà fmax = fÊÀÄÐNÈÇ/2 » 13 ÌÃö. Ýòî ìàêñèìàëüíàÿ ÷àñòîòà, êîòîðàÿ äîëæíà áûòü ïåðåäàíà òåëåâèçèîííûì êàíàëîì ïðè ïîñòðî÷íîé ðàçâåðòêå èçîáðàæåíèÿ è ïðèíÿòà òåëåâèçèîííûì ïðèåìíèêîì. Åñëè ÷èñëî ñòðîê ðàçëîæåíèÿ èçîáðàæåíèÿ óâåëè÷èòü, ñäåëàòü áîëüøå 625, òî îáùåå ÷èñëî ýëåìåíòîâ ðàçëîæåíèÿ èçîáðàæåíèÿ NÈÇ è ìàêñèìàëüíàÿ ÷àñòîòà fmax òàêæå óâåëè÷àòñÿ.
246
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
Ñòîëü áîëüøàÿ ÷àñòîòà fmax ïîêàçûâàåò, ÷òî òåëåâèçèîííûå ñèãíàëû ñ ïîñòðî÷íîé ðàçâåðòêîé öåëåñîîáðàçíî èñïîëüçîâàòü òîëüêî òîãäà, êîãäà äëÿ ïåðåäà÷è è âîñïðîèçâåäåíèÿ èçîáðàæåíèÿ íå èñïîëüçóþòñÿ ýôèðíûå êàíàëû ñâÿçè, íàïðèìåð, ïðè ôîðìèðîâàíèè èçîáðàæåíèÿ â êîìïüþòåðàõ. Ïðè èñïîëüçîâàíèè ðàäèîêàíàëîâ ïåðåäà÷à òåëåâèäåíèÿ ìîæåò îñóùåñòâëÿòüñÿ òîëüêî â äèàïàçîíå î÷åíü âûñîêèõ ÷àñòîò, ÷òîáû òàêîå çíà÷åíèå ÷àñòîòû ñîñòàâëÿëî ëèøü åäèíèöû ïðîöåíòîâ îò íåñóùåé ÷àñòîòû ðàäèîïåðåäàò÷èêà. Äëÿ ñíèæåíèÿ ìàêñèìàëüíîé ÷àñòîòû â òåëåâèäåíèè èñïîëüçóåòñÿ ÷åðåññòðî÷íàÿ ðàçâåðòêà. Ðàçâåðòêà, ïðè êîòîðîé ñíà÷àëà ðàçâîðà÷èâàþòñÿ âñå íå÷åòíûå ñòðîêè (1-ÿ, 3-ÿ, 5-ÿ è ò. ä.), à çàòåì âñå ÷åòíûå (2-ÿ, 4-ÿ, 6-ÿ è ò. ä.), íàçûâàåòñÿ ÷åðåññòðî÷íîé.  ýòîì ñëó÷àå ïîëíûé êàäð èçîáðàæåíèÿ ðàçäåëÿåòñÿ íà äâà ïîëÿ (äâà ïîëóêàäðà), ïåðåäàâàåìûå ïî î÷åðåäè, îäèí èç êîòîðûõ ñîäåðæèò íå÷åòíûå, à â äðóãîé ÷åòíûå ñòðîêè. Ó íàñ â ñòðàíå â êà÷åñòâå ñòàíäàðòà ïðèíÿòà äëèòåëüíîñòü ïîëÿ âðåìÿ, â òå÷åíèå êîòîðîãî íà ýêðàíå òåëåâèçîðà âîñïðîèçâîäèòñÿ êàæäûé ïîëóêàäð èçîáðàæåíèÿ, ðàâíàÿ 20 ìñ, òî åñòü â ñåêóíäó âîñïðîèçâîäèòñÿ 50 ïîëåé (50 Ãö). Òàêóþ æå ÷àñòîòó èìååò ïèòàþùàÿ ñåòü, ïîýòîìó ïîìåõà, ñîçäàâàåìàÿ ñåòüþ, âûçûâàåò íà ýêðàíå êèíåñêîïà èçìåíåíèå ÿðêîñòè ñèãíàëà, íàõîäÿùååñÿ íà îäíîì è òîì æå ìåñòå, òî åñòü îíî íåïîäâèæíî, à çíà÷èò, ìåøàþùåå äåéñòâèå ïîìåõè áóäåò ñëàáî çàìåòíî. Êðîìå òîãî, ïðè òàêîé ÷àñòîòå ñìåíû ïîëåé ìåëüêàíèÿ ÿðêîñòè èçîáðàæåíèÿ ãëàçîì íå âîñïðèíèìàþòñÿ. Êàê óêàçûâàëîñü âûøå, äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ñëèòíîñòè äâèæåíèÿ ïåðåìåùàþùèõñÿ îáúåêòîâ äîñòàòî÷íî â îäíó ñåêóíäó ïåðåäàâàòü ëèøü 16
24 îòäåëüíûõ ôàç, ÷òî òîæå îáåñïå÷èâàåòñÿ. Îäíàêî ñîêðàùåííîå â äâà ðàçà ÷èñëî ñòðîê (à çíà÷èò, è ýëåìåíòîâ) ðàçëîæåíèÿ, ïåðåäàâàåìûõ çà îäèí ïîëóêàäð, ïîçâîëÿþò âäâîå óìåíüøèòü ìàêñèìàëüíóþ ÷àñòîòó, êîòîðàÿ äîëæíà áûòü ïåðåäàíà ÷åðåç òåëåâèçèîííûé êàíàë è ïðèíÿòà òåëåâèçèîííûì ïðèåìíèêîì.  ýòîì ñëó÷àå îíà ñîñòàâëÿåò 6,5 ÌÃö. Ýòî î÷åíü âàæíî äëÿ ýôèðíîé ïåðåäà÷è òåëåâèçèîííîãî ñèãíàëà, òàê êàê ïîçâîëÿåò íå òîëüêî ïåðåäàâàòü âìåñòî îäíîé òåëåâèçèîííîé ïðîãðàììû äâå, íî è ïîíèçèòü äèàïàçîí ÷àñòîò, èñïîëüçóåìûõ äëÿ òåëåâèçèîííîãî âåùàíèÿ. Òàêîå ðåøåíèå ïðîáëåìû áûëî îñîáåííî àêòóàëüíûì â íà÷àëå ðàçâè-
ÃËÀÂÀ 10. ÒÅËÅÂÈÄÅÍÈÅ
247
òèÿ òåëåâèäåíèÿ, êîãäà äèàïàçîí î÷åíü âûñîêèõ ÷àñòîò áûë íåäîñòàòî÷íî îñâîåí. Óìåíüøåíèå â êàæäîì ïîëóêàäðå ÷èñëà ñòðîê âäâîå ïðèâîäèò ïðè ëèíåéíîé ðàçâåðòêå ïî âåðòèêàëè ê ïîíèæåíèþ åå ñêîðîñòè, à çíà÷èò, óãîë íàêëîíà ñòðîêè óâåëè÷èòñÿ. ×òîáû Ðèñ. 10.5 êîìïåíñèðîâàòü ïîòåðþ èçîáðàæåíèÿ èç-çà óâåëè÷åíèÿ óãëà íàêëîíà ïåðâîé ñòðîêè ïðè ÷åðåññòðî÷íîé ðàçâåðòêå îäèí ïîëóêàäð äîëæåí íà÷àòüñÿ ñ ïîëîâèíû ñòðîêè, à âòîðîé çàêîí÷èòüñÿ íà åå ïîëîâèíå, ïîýòîìó ÷èñëî ñòðîê ðàçëîæåíèÿ èçîáðàæåíèÿ äîëæíî áûòü íå÷åòíûì. Íà ðèñ. 10.5 ïîêàçàí ïðîöåññ ôîðìèðîâàíèÿ ïîëóêàäðîâ, â êîòîðîì ñòðîêè îòäåëüíûõ ïîëåé ïîêàçàíû ëèíèÿìè ðàçëè÷íîé òîëùèíû.  ýòîì ñëó÷àå ñòðîêè îäíîãî ïîëóêàäðà áóäóò ëîæèòüñÿ â ñåðåäèíå ñòðîê äðóãîãî ïîëóêàäðà è îáåñïå÷àò çà äâà ïåðèîäà âåðòèêàëüíîé ðàçâåðòêè ïîëíûé ðàñòð, àíàëîãè÷íûé ïî ÷èñëó ñòðîê ðàñòðó ïîñòðî÷íîé ðàçâåðòêè. Íåîáõîäèìîå ñìåùåíèå íà÷àëà ðàçâåðòêè ñòðîê ïîëóêàäðîâ äîñòèãàåòñÿ ñîîòâåòñòâóþùèì âçàèìíûì ðàñïîëîæåíèåì êàäðîâîãî è ñòðî÷íîãî ñèíõðîèìïóëüñîâ.  îäíîì ïîëóêàäðå îíè ñîâïàäàþò, è ðàçâåðòêà íà÷èíàåòñÿ èç ëåâîãî âåðõíåãî óãëà ýêðàíà; â äðóãîì êàäðîâûé ñèíõðîèìïóëüñ íà÷èíàåòñÿ íà ñåðåäèíå äëèòåëüíîñòè ñòðîêè, è íà÷àëî ðàçâåðòêè ñìåùàåòñÿ íà ñåðåäèíó ýêðàíà. Äëÿ òîãî ÷òîáû ýòî ðàçëè÷èå íå âëèÿëî íà âûäåëåíèå èç ñèíõðîñìåñè êàäðîâîãî ñèíõðîèìïóëüñà, äî íåãî è ïîñëå ââîäÿò óðàâíèâàþùèå èìïóëüñû (ðèñ. 10.4). Ïðè ÷åðåññòðî÷íîé ðàçâåðòêå ÷àñòîòà ñòðîê ìîæåò áûòü íàéäåíà ïî ôîðìóëå fÑÐ = fÊÀÄÐnÑ/2. Äëÿ ïàðàìåòðîâ, èñïîëüçóåìûõ â îòå÷åñòâåííîì òåëåâèäåíèè, fÑÐ = 50 ´ 625/2 = 15 625 Ãö, à ñîîòâåòñòâóþùèé åé ïåðèîä ïîâòîðåíèÿ 64 ìêñ. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû 1. 2. 3. 4.
Êàêîé ñèãíàë íàçûâàþò ÿðêîñòíûì? ×òî òàêîå ðàçâåðòêà? ×åì êàäðîâàÿ ðàçâåðòêà îòëè÷àåòñÿ îò ñòðî÷íîé?  ÷åì îñîáåííîñòè ïîñòðî÷íîé è ÷åðåññòðî÷íîé ðàçâåðòîê?
248
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
10.3. ÒÅËÅÂÈÇÈÎÍÍÛÉ ÐÀÄÈÎÑÈÃÍÀË Â ñèñòåìàõ âåùàòåëüíîãî òåëåâèäåíèÿ òåëåâèçèîííûé ñèãíàë ïåðåäàþò ñ ïîìîùüþ ðàäèîñòàíöèé, èñïîëüçóÿ, êàê è îáû÷íî, ìîäóëÿöèþ íåñóùåé ÷àñòîòû ïåðåäàò÷èêà. Êàê óæå óêàçûâàëîñü â ðàçäåëå 8.3.1, íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûìè âèäàìè ìîäóëÿöèè ÿâëÿþòñÿ àìïëèòóäíàÿ (ÀÌ) è ÷àñòîòíàÿ (×Ì). Ïîñëåäíÿÿ íàèáîëåå ïîìåõîóñòîé÷èâà, íî òðåáóåò çíà÷èòåëüíî áîëüøóþ, ÷åì ïðè ÀÌ, ïîëîñó ïðîïóñêàíèÿ. Òåëåâèçèîííûé âèäåîñèãíàë î÷åíü øèðîêîïîëîñíûé (åãî ìàêñèìàëüíàÿ ÷àñòîòà áëèçêà ê 6,5 ÌÃö), ïîýòîìó äëÿ åãî ïåðåäà÷è èñïîëüçóåòñÿ ìîäóëÿöèÿ, òðåáóþùàÿ íàèìåíüøóþ ïîëîñó, òî åñòü ÀÌ. Îäíàêî ïðè ïðîõîæäåíèè ÀÌ êîëåáàíèÿ ïî ýôèðíûì êàíàëàì ñâÿçè îíî î÷åíü ÷àñòî ïîäâåðãàåòñÿ èñêàæåíèÿì, ïðè÷åì íàèáîëåå óÿçâèìûìè ÿâëÿþòñÿ ó÷àñòêè, ñîîòâåòñòâóþùèå ïèêàì ñèãíàëà. Èíôîðìàöèîííàÿ öåííîñòü ðàçëè÷íûõ ñîñòàâëÿþùèõ òåëåâèçèîííîãî âèäåîñèãíàëà íåîäèíàêîâà. ßðêîñòíûé ñèãíàë íåñåò èíôîðìàöèþ î ïåðåäàâàåìîì èçîáðàæåíèè è ÿâëÿåòñÿ íàèáîëåå öåííûì. Ñèãíàë ñèíõðîñìåñè ÿâëÿåòñÿ ñòàíäàðòíûì, ïàðàìåòðû êîòîðîãî çàðàíåå èçâåñòíû, à çíà÷èò, åãî ëåãêî âîññòàíîâèòü. Ïîýòîìó ìîäóëÿöèþ îñóùåñòâëÿþò òàê, ÷òîáû â ðåçóëüòèðóþùåì ñèãíàëå ñèíõðîñìåñü ñîîòâåòñòâîâàëà ìàêñèìàëüíîé àìïëèòóäå íåñóùåãî êîëåáàíèÿ åãî ïèêàì (ðèñ. 10.6,à). Òàêóþ ìîäóëÿöèþ èíîãäà íàçûâàþò íåãàòèâíîé. Äðóãîé îñîáåííîñòüþ âåùàòåëüíîãî òåëåâèäåíèÿ ÿâëÿåòñÿ èíôîðìàöèîííàÿ íåîäèíàêîâîñòü ðàçëè÷íûõ ñîñòàâëÿþùèõ ÿðêîñòíîãî ñèãíàëà. Äåéñòâèòåëüíî, ïðè ïðîñìîòðå òåëåâèçèîííûõ ïåðåäà÷ çðèòåëü îáû÷íî ñëåäèò çà ðàçâîðà÷èâàþùèìñÿ ñþæåòîì: ëþäüìè, ñîáûòèÿìè, äåêîðàöèÿìè è ò. ä., êîòîðûå, êàê ïðàâèëî, ïðåäñòàâëåíû êðóïíûì ïëàíîì. Îäíàêî ïðè ïåðåäà÷å êðóïíûõ îáúåêòîâ ñîîòâåòñòâóþùèå èì ñîñòàâëÿþùèå ÿðêîñòíîãî ñèãíàëà íàõîäÿòñÿ â áîëåå íèçêî÷àñòîòíîé îáëàñòè. Ìåëêèå äåòàëè è ýëåìåíòû, êîòîðûì ñîîòâåòñòâóþò áîëåå âûñîêèå ÷àñòîòû, îáû÷íî çðèòåëåì îïóñêàþòñÿ, ïîýòîìó ÷àñòè÷íàÿ èõ ïîòåðÿ ñëàáî âëèÿåò íà èíôîðìàöèîííóþ öåííîñòü ïðîñìàòðèâàåìîé ïåðåäà÷è. Ïðè àìïëèòóäíîé ìîäóëÿöèè ïîëîñà ÷àñòîò ðåçóëüòèðóþùåãî êîëåáàíèÿ, êàê èçâåñòíî, ðàâíà óäâîåííîìó çíà÷åíèþ ìàêñèìàëüíîé ÷àñòîòû ìîäóëèðóþùåãî êîëåáàíèÿ è äëÿ òåëåâèçèîííîãî âèäåî-
249
ÃËÀÂÀ 10. ÒÅËÅÂÈÄÅÍÈÅ
à
á
Ðèñ. 10.6
ñèãíàëà, ìàêñèìàëüíàÿ ÷àñòîòà êîòîðîãî áëèçêà ê 6,5 ÌÃö, äîëæíà áûòü 13 ÌÃö. Îäíàêî ðàññìîòðåííàÿ èíôîðìàöèîííàÿ íåîäèíàêîâîñòü ÿðêîñòíîãî ñèãíàëà ïîçâîëÿåò åå óìåíüøèòü çà ñ÷åò ÷àñòè÷íîãî ïîäàâëåíèÿ îäíîé áîêîâîé ïîëîñû ÀÌ êîëåáàíèÿ äëÿ ÷àñòîò, ïðåâûøàþùèõ 1,25 ÌÃö. Íà ðèñ. 10.6,á ïîêàçàí ñïåêòð ñòàíäàðòíîãî òåëåâèçèîííîãî ðàäèîñèãíàëà, ïðèíÿòîãî â îòå÷åñòâåííîì òåëåâèäåíèè, èç êîòîðîãî âèäíî, ÷òî åãî íèçêî÷àñòîòíûå ó÷àñòêè, ñîîòâåòñòâóþùèå ïåðåäà÷å êðóïíûõ äåòàëåé èçîáðàæåíèÿ, èìåþò îáå áîêîâûõ ïîëîñû, à âûñîêî÷àñòîòíûå, ñîîòâåòñòâóþùèå ìåëêèì äåòàëÿì, òîëüêî îäíó. Ïðè ïðèâåäåííîì ðàñ÷åòå ìàêñèìàëüíîé ÷àñòîòû âèäåîñèãíàëà ñ÷èòàëîñü, ÷òî âñå 625 ñòðîê ôîðìèðóþò èçîáðàæåíèå ýêðàíà.  äåéñòâèòåëüíîñòè ÷àñòü èç íèõ ïîïàäàåò íà îáðàòíûé õîä êàäðîâîé ðàçâåðòêè, äà è â ñàìîé ñòðîêå ÷àñòü ýëåìåíòîâ åå ðàçëîæåíèÿ ïðèõîäèòñÿ íà îáðàòíûé õîä ñòðî÷íîé ðàçâåðòêè. Âñå ýòî ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ ðåàëüíîãî ÷èñëà ýëåìåíòîâ ðàçëîæåíèÿ, ôîðìèðóþùèõ èçîáðàæåíèå, è ïîíèæåíèþ äî 6,375 ÌÃö ìàêñèìàëüíîé ÷àñòîòû ñïåêòðà âèäåîñèãíàëà.  ðåçóëüòàòå ïîëîñà ÷àñòîò, îòâîäèìàÿ äëÿ ïåðåäà÷è òåëåâèçèîííîãî âèäåîñèãíàëà, ñîñòàâëÿåò 7,625 ÌÃö (ðèñ. 10.6,á). Îäíîâðåìåííî ñ âèäåîñèãíàëîì â âåùàòåëüíîì òåëåâèäåíèè ïåðåäàåòñÿ è çâóê. Âåðõíÿÿ ãðàíè÷íàÿ ÷àñòîòà èñïîëüçóåìîãî äèàïàçîíà çâóêîâîãî ñîïðîâîæäåíèÿ ñîñòàâëÿåò 15 êÃö, òî åñòü íåáîëüøàÿ ïî ñðàâíåíèþ ñ âèäåîñèãíàëîì, ïîýòîìó ïåðåäà÷à çâóêà áåç çíà÷èòåëüíîãî ðàñøèðåíèÿ îáùåé ïîëîñû ÷àñòîò ñïåêòðà òåëåâèçèîííîãî ðàäèîñèãíàëà ìîæåò îñóùåñòâëÿòüñÿ ñ ïîìîùüþ ÷àñòîòíîé ìîäóëÿöèè.  òåëåâèäåíèè äëÿ ýòîãî îòâîäèòñÿ ïîëîñà ÷àñòîò â 0,25 ÌÃö. Ïîâûøåííàÿ
250
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
ïîìåõîçàùèùåííîñòü ×Ì ïîçâîëÿåò âûáèðàòü ìîùíîñòü ïåðåäàò÷èêà çâóêîâîãî ñîïðîâîæäåíèÿ â 510 ðàç ìåíüøå ìîùíîñòè ïåðåäàò÷èêà âèäåîñèãíàëà. Íåñóùàÿ ÷àñòîòà çâóêîâîãî êàíàëà fÍ Ç îòëè÷àåòñÿ îò íåñóùåé ÷àñòîòû ïåðåäàò÷èêà èçîáðàæåíèÿ fÍ Â íà 6,5 ÌÃö (ðèñ. 10.6,á). Ïîëíàÿ øèðèíà ðàäèîêàíàëà âåùàòåëüíîãî òåëåâèäåíèÿ ñîñòàâëÿåò 7,875 ÌÃö, íî äëÿ óëó÷øåíèÿ ïîìåõîçàùèùåííîñòè íåñóùèå ÷àñòîòû, èñïîëüçóåìûå äëÿ ïåðåäà÷è ñîñåäíèõ êàíàëîâ âåùàòåëüíîãî òåëåâèäåíèÿ, âûáèðàþò îòëè÷àþùèìèñÿ äðóã îò äðóãà íà ÷àñòîòó 8 ÌÃö.  íàñòîÿùåå âðåìÿ äëÿ âåùàíèÿ èñïîëüçóþòñÿ ñëåäóþùèå ÷àñòîòíûå äèàïàçîíû: I äèàïàçîí 48,5
66 ÌÃö (1 è 2 êàíàëû); II äèàïàçîí 76
100 ÌÃö (35 êàíàëû); III äèàïàçîí 174
230 ÌÃö (612 êàíàëû); IV äèàïàçîí 470
582 ÌÃö (2134 êàíàëû); V äèàïàçîí 582
790 ÌÃö (3560 êàíàëû). Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Êàêèå âèäû ìîäóëÿöèè èñïîëüçóþòñÿ ïðè ïåðåäà÷å òåëåâèçèîííîãî ñèãíàëà è äëÿ ÷åãî? 2. ×åì îïðåäåëÿåòñÿ ïîëîñà ïðîïóñêàíèÿ òåëåâèçèîííîãî âèäåîñèãíàëà? 3. Ðàññêàæèòå îá îñîáåííîñòÿõ âåùàòåëüíîãî òåëåâèäåíèÿ, ïîçâîëÿþùèõ ñîêðàòèòü òðåáóåìóþ ïîëîñó ÷àñòîò ðàäèîñèãíàëà. 4. Ïî÷åìó ìîùíîñòü ïåðåäàò÷èêà çâóêîâîãî ñîïðîâîæäåíèÿ âûáèðàþò çíà÷èòåëüíî ìåíüøå, ÷åì ìîùíîñòü ïåðåäàò÷èêà èçîáðàæåíèÿ?
10.4. ÏÐÈÍÖÈÏÛ ÏÎÑÒÐÎÅÍÈß ÑÈÑÒÅÌ ÖÂÅÒÍÎÃÎ ÒÅËÅÂÈÄÅÍÈß Ïðèíöèïû ïîñòðîåíèÿ ñèñòåì öâåòíîãî òåëåâèäåíèÿ îñíîâàíû íà òåîðèè òðåõêîìïîíåíòíîñòè öâåòîâîãî âîñïðèÿòèÿ ÷åëîâå÷åñêîãî çðåíèÿ, ïðåäïîëàãàþùåé ñóùåñòâîâàíèå â ãëàçó òðåõ âèäîâ êîëáî÷åê, êàæäàÿ èõ êîòîðûõ ðåàãèðóåò òîëüêî íà îäèí èç îñíîâíûõ öâåòîâ: êðàñíûé, ñèíèé èëè çåëåíûé. Ïîýòîìó èñõîäíîå öâåòíîå èçîáðàæåíèå ðàçëàãàåòñÿ íà ýòè òðè ñîñòàâëÿþùèå, ïåðåäàþùèåñÿ â òåëåâèçèîííûé ïðèåìíèê, ãäå îíè ñîâìåùàþòñÿ â îäíî, âîññòàíàâëèâàÿ ïåðâîíà÷àëüíîå èçîáðàæåíèå. Äëÿ öâåòîäåëåíèÿ, êàê ïðàâèëî, èñïîëüçóþò öâåòîèçáèðàòåëüíûå (òàê íàçûâàåìûå äèõðîè÷åñêèå) çåðêàëà, õàðàê-
ÃËÀÂÀ 10. ÒÅËÅÂÈÄÅÍÈÅ
251
òåðíîé îñîáåííîñòüþ êîòîðûõ ÿâëÿåòñÿ âûñîêèé êîýôôèöèåíò îòðàæåíèÿ â îïðåäåëåííîì ó÷àñòêå ñïåêòðà êîëåáàíèé è ïî÷òè ïîëíîå ïðîïóñêàíèå êîëåáàíèé âñåõ îñòàëüíûõ ÷àñòîò. Óïðîùåííàÿ ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà öâåòîäåëåíèÿ â öâåòíîé ïåðåäàþùåé êàìåðå ïðèâåäåÐèñ. 10.7 íà íà ðèñ. 10.7. Îòðàæåííûé îò ïåðåäàâàåìîãî îáúåêòà ñâåòîâîé ïîòîê 1, ïðîõîäÿ ÷åðåç îáúåêòèâ 2, ïîïàäàåò íà ïåðâîå öâåòîèçáèðàòåëüíîå çåðêàëî 3, êîòîðîå îòðàæàåò êðàñíóþ êîìïîíåíòó ñâåòîâîãî ïîòîêà, ïîïàäàþùóþ ÷åðåç îáû÷íîå çåðêàëî 4 ê ñîîòâåòñòâóþùåìó îïòîýëåêòðè÷åñêîìó ïðåîáðàçîâàòåëþ 5, ïðåîáðàçóþùåìó èçîáðàæåíèå â ýëåêòðè÷åñêèé ñèãíàë. Îñòàâøàÿñÿ ÷àñòü ñâåòîâîãî ïîòîêà ïðîõîäèò ÷åðåç çåðêàëî 3 ê öâåòîèçáèðàòåëüíîìó çåðêàëó 6. Ïîñëåäíåå îòðàæàåò ñèíþþ êîìïîíåíòó, ïåðåäàþùóþñÿ ÷åðåç äðóãîå îáû÷íîå çåðêàëî 7 ê îïòîýëåêòðè÷åñêîìó ïðåîáðàçîâàòåëþ ñèíåãî öâåòà 8.  ïðîõîäÿùåì ñêâîçü öâåòîèçáèðàòåëüíîå çåðêàëî 6 ñâåòîâîì ïîòîêå îñòàåòñÿ òîëüêî çåëåíàÿ êîìïîíåíòà, êîòîðàÿ ïîïàäàåò â ñîîòâåòñòâóþùèé îïòîýëåêòðè÷åñêèé ïðåîáðàçîâàòåëü 9.  ðåçóëüòàòå ôîðìèðóþòñÿ òðè ýëåêòðè÷åñêèõ ñèãíàëà, ñîîòâåòñòâóþùèå òðåì êîìïîíåíòàì èñõîäíîãî öâåòíîãî èçîáðàæåíèÿ. Ïðè îäíîâðåìåííîé ïåðåäà÷å ïî ëèíèÿì ñâÿçè êàæäîé èç ïîëó÷åííûõ êîìïîíåíò â òåëåâèçèîííûé ïðèåìíèê â íåì ñîçäàåòñÿ âîçìîæíîñòü ïîëíîãî âîññòàíîâëåíèÿ èñõîäíîãî öâåòíîãî èçîáðàæåíèÿ. Îäíàêî â âåùàòåëüíîì òåëåâèäåíèè îòäåëüíàÿ ïåðåäà÷à âñåõ òðåõ ïîëó÷åííûõ öâåòîâ íå èñïîëüçóåòñÿ. Ýòî ñâÿçàíî íå òîëüêî ñ óñëîæíåíèåì ñèñòåìû, íî è ñ íåâîçìîæíîñòüþ ñîâìåùåíèÿ åå ñ ñèñòåìîé ÷åðíî-áåëîãî òåëåâèäåíèÿ.  ñîâìåñòèìûõ ñèñòåìàõ äîëæíà áûòü îáåñïå÷åíà âîçìîæíîñòü ïðèåìà öâåòíîãî èçîáðàæåíèÿ ÷åðíî-áåëûì òåëåâèçèîííûì ïðèåìíèêîì â ìîíîõðîìàòè÷åñêîì (÷åðíî-áåëîì) âèäå, à òåëåâèçîð öâåòíîãî èçîáðàæåíèÿ äîëæåí ïðèíèìàòü ïðîãðàììó ÷åðíî-áåëîãî òåëåâèäåíèÿ. Íî äëÿ âîñïðîèçâåäåíèÿ èçîáðàæåíèÿ â ÷åðíî-áåëîì òåëåâèçîðå íåîáõîäèì ÿðêîñòíûé ñèãíàë, à çíà÷èò, åãî òîæå íóæíî ïåðåäàâàòü îäíîâðåìåííî ñ ïåðåäà÷åé ñèãíàëîâ
252
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
öâåòà. Ïîýòîìó ïðè ðàçðàáîòêå ñèñòåì öâåòíîãî âåùàòåëüíîãî òåëåâèäåíèÿ èäóò äðóãèì ïóòåì.  ñîîòâåòñòâèè ñ òðåõêîìïîíåíòíîñòüþ çðåíèÿ ÿðêîñòíûé ñèãíàë ìîæåò áûòü ïîëó÷åí ñóììèðîâàíèåì ñ ñîîòâåòñòâóþùèìè êîýôôèöèåíòàìè ñèãíàëîâ òðåõ îñíîâíûõ öâåòîâ [8]: ÅY = 0,3ÅR + 0,59ÅG + 0,11ÅB,
(10.1)
ãäå ÅY ÿðêîñòíûé ñèãíàë, ÅR ñèãíàë êðàñíîãî, ÅG çåëåíîãî è ÅB ñèíåãî öâåòîâ. Ó÷èòûâàÿ, ÷òî äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ñîâìåñòèìîñòè ñ ñèñòåìîé ÷åðíî-áåëîãî òåëåâèäåíèÿ íåîáõîäèìà ïåðåäà÷à ÿðêîñòíîãî ñèãíàëà, äëÿ íîðìàëüíîé ðàáîòû ñèñòåì öâåòíîãî òåëåâèäåíèÿ äîñòàòî÷íî îäíîâðåìåííî ñ íèì ïåðåäàâàòü ñèãíàëû äâóõ ëþáûõ äðóãèõ öâåòîâ, à çàòåì â äåêîäèðóþùåì óñòðîéñòâå ïî (10.1) âîññòàíîâèòü ñèãíàë òðåòüåãî öâåòà. ×åëîâå÷åñêèé ãëàç íàèáîëåå ÷óâñòâèòåëåí ê çåëåíîìó öâåòó, ïîýòîìó ïðè ïåðåäà÷å êðàñíîãî è ñèíåãî öâåòîâ èõ âîçìîæíûå èñêàæåíèÿ áóäóò çàìåòíû ñëàáî. Ýòî ïîçâîëÿåò ñíèçèòü òðåáîâàíèÿ ê êà÷åñòâó èõ ïåðåäà÷è, íàïðèìåð, ñîêðàòèòü íåîáõîäèìóþ ïîëîñó ÷àñòîò. Ïðè÷åì, ó÷èòûâàÿ (êàê áûëî ïîêàçàíî âûøå), ÷òî íà öâåò ìåëêèõ äåòàëåé ÷åëîâå÷åñêèé ãëàç ðåàãèðóåò ñëàáî, îíè ìîãóò áûòü ïåðåäàíû ÷åðíî-áåëûìè. Îñîáåííîñòüþ ÿðêîñòíîãî ñèãíàëà ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî îí íåñåò â ñåáå èíôîðìàöèþ îá ÿðêîñòíûõ ñîîòíîøåíèÿõ âñåõ öâåòîâ, ïîýòîìó åå èç ñàìèõ ñèãíàëîâ öâåòà ìîæíî èñêëþ÷èòü è äîïîëíèòåëüíî ñîêðàòèòü òðåáóåìóþ äëÿ íèõ ïîëîñó ÷àñòîò. Ñëåäîâàòåëüíî, ìîæíî ïåðåäàâàòü íå ñèãíàëû öâåòà, à öâåòîðàçíîñòíûå ñèãíàëû: êðàñíûé ÅRY = ÅR ÅY è ñèíèé ÅÂY = Å ÅY. Îíè íåñóò â ñåáå èíôîðìàöèþ îáî âñåõ îñíîâíûõ öâåòàõ, ïîýòîìó öâåòîðàçíîñòíûå ñèãíàëû ÷àñòî íàçûâàþò ñèãíàëàìè öâåòíîñòè: ÅRY = ÅR ÅY = 0,7ÅR 0,59ÅG 0,11ÅB, ÅÂY = Å ÅY = 0,3ÅR 0,59ÅG + 0,89ÅB. Çåëåíûé öâåòîðàçíîñòíûé ñèãíàë ÅGY = ÅG ÅY ìîæåò áûòü ïîëó÷åí íà îñíîâàíèè (10.1), èç êîòîðîé ñëåäóåò 0,3ÅRY + + 0,59ÅGY + 0,11ÅÂY = 0. Òîãäà çåëåíûé öâåòîðàçíîñòíûé ñèãíàë îïðåäåëÿåòñÿ ïî ôîðìóëå ÅGY = 0,51ÅRY 0,19ÅÂY. Äëÿ âîññòàíîâëåíèÿ ñèãíàëîâ âñåõ îñíîâíûõ öâåòîâ â òåëåâèçèîííîì ïðèåìíèêå öâåòíîãî èçîáðàæåíèÿ ñíà÷àëà ñ ïîìîùüþ ìàòðèöû ñèíòåçèðóþò çåëåíûé öâåòîðàçíîñòíûé ñèãíàë,
ÃËÀÂÀ 10. ÒÅËÅÂÈÄÅÍÈÅ
253
à çàòåì ñóììèðîâàíèåì öâåòîðàçíîñòíûõ è ÿðêîñòíîãî ñèãíàëîâ âîññòàíàâëèâàþò ÅR, ÅG è ÅB, êîòîðûå ïîäàþò íà ñîîòâåòñòâóþùèå ýëåêòðîííûå ïðîæåêòîðû òðåõöâåòíîãî êèíåñêîïà. Ïåðåäà÷à öâåòîðàçíîñòíûõ ñèãíàëîâ ïðåäïî÷òèòåëüíà åùå è òåì, ÷òî óìåíüøàåò ïîìåõè ïðèåìó ÿðêîñòíîãî ñèãíàëà. Äåéñòâèòåëüíî, ïðè ïåðåäà÷å áåëîãî öâåòà è ñåðîãî, êîòîðûé ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé áåëûé öâåò ìåíüøåé èíòåíñèâíîñòè, ÅR = ÅG = ÅB è àìïëèòóäà öâåòîðàçíîñòíûõ ñèãíàëîâ îáðàùàåòñÿ â íîëü. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1. Íàðèñóéòå ñòðóêòóðíóþ ñõåìó è ïîÿñíèòå ïðèíöèï öâåòîäåëåíèÿ èçîáðàæåíèÿ. 2. Êàê îïðåäåëÿåòñÿ ÿðêîñòíûé ñèãíàë ÷åðåç ñèãíàëû îñíîâíûõ öâåòîâ? 3. ×òî òàêîå öâåòîðàçíîñòíûå ñèãíàëû? ×åì ïðè ïåðåäà÷å îíè ïðåäïî÷òèòåëüíåå ñèãíàëîâ îñíîâíûõ öâåòîâ?
10.5. ÂÅÙÀÒÅËÜÍÛÅ ÑÈÑÒÅÌÛ ÖÂÅÒÍÎÃÎ ÒÅËÅÂÈÄÅÍÈß Âñå íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûå â íàñòîÿùåå âðåìÿ ñèñòåìû âåùàòåëüíîãî öâåòíîãî è ÷åðíî-áåëîãî òåëåâèäåíèÿ ñîâìåñòèìû. Äëÿ ïðèåìà è ïåðåäà÷è èçîáðàæåíèÿ îíè èñïîëüçóþò òðè ñèãíàëà: ÿðêîñòíûé, êðàñíûé öâåòîðàçíîñòíûé è ñèíèé öâåòîðàçíîñòíûé, ïðè÷åì ïîñëåäíèå äâà ïåðåäàþòñÿ â ñïåêòðå ÿðêîñòíîãî ñèãíàëà. Îäíàêî ñïîñîá êîäèðîâàíèÿ è âîññòàíîâëåíèÿ öâåòîðàçíîñòíûõ ñèãíàëîâ ó ñèñòåì ðàçëè÷íûé, ïîýòîìó ïîëíûé öâåòíîé òåëåâèçèîííûé ñèãíàë, ñôîðìèðîâàííûé îäíîé ñèñòåìîé, íå ìîæåò áûòü ïðàâèëüíî âîñïðîèçâåäåí â òåëåâèçèîííîì ïðèåìíèêå, ïðåäíàçíà÷åííîì äëÿ ðàáîòû ñ äðóãîé ñèñòåìîé. Ñåé÷àñ íàèáîëüøåå ðàñïðîñòðàíåíèå ïîëó÷èëè òðè ñèñòåìû öâåòíîãî òåëåâèäåíèÿ: NTSC, SECAM è PAL. 10.5.1. ÑÈÑÒÅÌÀ ÖÂÅÒÍÎÃÎ ÒÅËÅÂÈÄÅÍÈß NTSC
Ñèñòåìà öâåòíîãî òåëåâèäåíèÿ NTSC áûëà ðàçðàáîòàíà Íàöèîíàëüíûì Êîìèòåòîì Òåëåâèçèîííûõ ñèñòåì ÑØÀ, è åå íàçâàíèå ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé àááðåâèàòóðó íàèìåíîâàíèÿ Êîìèòåòà (National Television System Committee). Ñèñòåìà èñïîëüçóåòñÿ â ÑØÀ, Êàíàäå, ñòðàíàõ àìåðèêàíñêîãî êîíòèíåíòà, ßïîíèè, Êîðåå, Òàéâàíå è íåêîòîðûõ äðóãèõ ñòðàíàõ.
254
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
Ïðèíöèïîì ïîñòðîåíèÿ ñèñòåìû NTSC ÿâëÿåòñÿ ïðèìåíåíèå îäíîâðåìåííîé ïåðåäà÷è îáîèõ öâåòîðàçíîñòíûõ ñèãíàëîâ. Äëÿ ýòîãî èñïîëüçóåòñÿ äîïîëíèòåëüíàÿ ÷àñòîòà, êîòîðàÿ íàçûâàåòñÿ ïîäíåñóùåé ÷àñòîòîé. Äëÿ îáúåäèíåíèÿ äâóõ öâåòîðàçíîñòíûõ ñèãíàëîâ â îäèí ïðèìåíåí ñïîñîá, íàçûâàåìûé êâàäðàòóðíîé àìïëèòóäíîé ìîäóëÿöèåé.  ýòîì ñëó÷àå êàæäûé èç öâåòîðàçíîñòíûõ ñèãíàëîâ ìîäóëèðóåò ïî àìïëèòóäå ñâîå íåñóùåå êîëåáàíèå, ÷àñòîòû êîòîðûõ ñîâïàäàþò, à ôàçû âçàèìíî ñäâèíóòû íà 90°. Çàòåì ïîëó÷åííûå êðàñíûé uÀÌR-Y è ñèíèé uÀÌB-Y àìïëèòóäíî-ìîäóëèðîâàííûå öâåòîðàçíîñòíûå êîëåáàíèÿ ñóììèðóþòñÿ, ôîðìèðóÿ ðåçóëüòèðóþùèé ñèãíàë uS. Íà ïðàêòèêå äëÿ èäåíòè÷íîñòè ÷àñòîò íåñóùèõ êîëåáàíèé îáà îíè ñîçäàþòñÿ îäíèì ãåíåðàòîðîì, íî íà îäèí èç àìïëèòóäíûõ ìîäóëÿòîðîâ êîëåáàíèå ïîäàåòñÿ íåïîñðåäñòâåííî, à íà äðóãîé ÷åðåç ôàçîñäâèãàþùóþ öåïü, îáåñïå÷èâàþùóþ ñäâèã ôàçû íà 90° (ðèñ. 10.8,à). Âåêòîðíàÿ äèàãðàììà ïîëó÷àþùåãîñÿ ðåçóëüòèðóþùåãî ñèãíàëà öâåòíîñòè uS ïðèâåäåíà íà ðèñ. 10.8,á. Èç åå ðàññìîòðåíèÿ âèäíî, ÷òî çíà÷åíèå uS è ôàçîâûé ñäâèã jS ðåçóëüòèðóþùåãî êîëåáàíèÿ çàâèñÿò îò âåëè÷èí êðàñíîãî uÀÌR-Y è ñèíåãî uÀÌB-Y àìïëèòóäíî-ìîäóëèðîâàííûõ öâåòîðàçíîñòíûõ ñèãíàëîâ è îïðåäåëÿþòñÿ ïî ôîðìóëàì: 3 3 53 2 512 1 12 3 512 4 12 4 43 2 56789
512 1 12
512 4 12
Äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ñîâìåñòèìîñòè ñ ÷åðíî-áåëûì òåëåâèäåíèåì òàêîå êîëåáàíèå ïåðåäàþò îäíîâðåìåííî ñ ÿðêîñòíûì ñèãíàëîì, â åãî ñïåêòðå, ïðè÷åì èñïîëüçóþò äëÿ ýòîãî âûñîêî÷àñòîòíóþ ÷àñòü ïîëîñû ÷àñòîò âèäåîñèãíàëà (â ñèñòåìå NTSC ÷àñòîòà ïîäíåñóùåé âûáðàíà fS = 3,579545 ÌÃö).  ýòîì à
á
Ðèñ. 10.8
ÃËÀÂÀ 10. ÒÅËÅÂÈÄÅÍÈÅ
255
ñëó÷àå ñèãíàëû öâåòíîñòè íå áóäóò âëèÿòü íà âîñïðîèçâåäåíèå êðóïíûõ îáúåêòîâ, íà ðàññìîòðåíèè êîòîðûõ, êàê óæå óïîìèíàëîñü, îáû÷íî ñîñðåäîòî÷èâàåòñÿ òåëåçðèòåëü. Îíè áóäóò âîçäåéñòâîâàòü íà ìåëêèå äåòàëè, îáû÷íî îïóñêàåìûå ïðè ïðîñìîòðå ïåðåäà÷. Îäíàêî ïðèñóòñòâèå ïîäíåñóùåé ÷àñòîòû âñå-òàêè ñîçäàåò ïîìåõè, ïîýòîìó ïðè ðàçðàáîòêå ñèñòåì öâåòíîãî òåëåâèäåíèÿ ñòðåìÿòñÿ åå âîçäåéñòâèå óìåíüøèòü. Äëÿ ýòîãî â ñèñòåìå NTSC ïðèìåíÿåòñÿ áàëàíñíàÿ àìïëèòóäíàÿ ìîäóëÿöèÿ ñ ïîäàâëåíèåì ïîäíåñóùåé. Çíà÷åíèå ïîäíåñóùåé ÷àñòîòû çàðàíåå èçâåñòíî, ïîýòîìó åå ìîæíî óáðàòü (ïîäàâèòü) ïîëíîñòüþ. Ýòî ïîçâîëÿåò â ÿðêîñòíîì ñèãíàëå óìåíüøèòü ïîìåõó, ñîçäàâàåìóþ ñèãíàëàìè öâåòíîñòè: àìïëèòóäà ìîäóëèðîâàííîãî ñèãíàëà ñ ïîäàâëåíèåì ïîäíåñóùåé óìåíüøàåòñÿ, êàê ìèíèìóì, âäâîå (à ïðè ñëàáîîêðàøåííûõ èçîáðàæåíèÿõ, êîãäà m = 1, â áîëüøåå ÷èñëî ðàç); êðîìå òîãî, ïðè ïåðåäà÷å ÷åðíî-áåëûõ äåòàëåé, êîãäà ñèãíàëû öâåòíîñòè îòñóòñòâóþò, ïîìåõà èñ÷åçàåò ñîâñåì. Äëÿ âîññòàíîâëåíèÿ (äåìîäóëÿöèè) ìîäóëèðóåìûõ ñèãíàëîâ èç ÀÌ-êîëåáàíèÿ ñ ïîäàâëåííîé ïîäíåñóùåé èñïîëüçóþòñÿ ñèíõðîííûå äåòåêòîðû.  íèõ (ñì. ðàçäåë 8.3.2) ïðîèñõîäèò ïåðåìíîæåíèå ìîäóëèðîâàííîãî êîëåáàíèÿ ñ äðóãèì, îïîðíûì ãàðìîíè÷åñêèì êîëåáàíèåì, ÷àñòîòà êîòîðîãî ñîâïàäàåò ñ ÷àñòîòîé ïîäàâëåííîé ïîäíåñóùåé.  ðàññìàòðèâàåìîì ñëó÷àå ýòî wS (fS). Òîãäà, åñëè îïîðíîå êîëåáàíèå uÎÏ = = UÎÏ sin wS t, à ñèãíàë öâåòíîñòè uS = US sin (wS t + jS), òî íà âûõîäå ñèíõðîííîãî äåòåêòîðà ïîÿâèòñÿ êîëåáàíèå: uÂÛÕ = US sin (wS t + jS)UÎÏ sin wS t = = 0,5USUÎÏ cos jS 0,5USUÎÏ cos (2wS t + jS). Ïðèìåíåíèå ôèëüòðà íèæíèõ ÷àñòîò ïîçâîëÿåò èñêëþ÷èòü ñîñòàâëÿþùóþ, ñîîòâåòñòâóþùóþ âòîðîìó ñëàãàåìîìó, è íà âûõîäå äåòåêòîðà ïîëó÷àåòñÿ íàïðÿæåíèå, ïðîïîðöèîíàëüíîå ñèíåìó öâåòîðàçíîñòíîìó ñèãíàëó: uÂÛÕ = 0,5USUÎÏ cos jS = uÀÌ B-Y. Åñëè îïîðíîå êîëåáàíèå áóäåò èìåòü íà÷àëüíóþ ôàçó, ðàâíóþ 90° (uÎÏ = UÎÏ sin (wS t + 90°), òî íà âûõîäå äåòåêòîðà ïîÿâëÿåòñÿ íàïðÿæåíèå, ïðîïîðöèîíàëüíîå êðàñíîìó öâåòîðàçíîñòíîìó ñèãíàëó: uÂÛÕ = 0,5USUÎÏ sin jS = uÀÌ R-Y.
256
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
Ñëåäîâàòåëüíî, äëÿ ïðàâèëüíîãî âîññòàíîâëåíèÿ èñõîäíûõ öâåòîðàçíîñòíûõ ñèãíàëîâ íåîáõîäèìî çíàòü íå òîëüêî òî÷íîå çíà÷åíèå ÷àñòîòû, íî è ôàçû ïîäàâëåííîãî ïîäíåñóùåãî êîëåáàíèÿ. Äëÿ ýòîãî åãî âîñåìü ïåðèîäîâ ñ ôèêñèðîâàííîé íà÷àëüíîé ôàçîé ïåðåäàþòñÿ â èíòåðâàëå îáðàòíîãî õîäà ñòðî÷íîé ðàçâåðòêè, ñðàçó æå çà ñèíõðîèìïóëüñîì. Òàêîé ïàêåò êîëåáàíèé íàçûâàåòñÿ ñèãíàëîì öâåòîâîé ñèíõðîíèçàöèè èëè, èíîãäà, öâåòîâîé âñïûøêîé. Ïî íåìó â òåëåâèçèîííîì ïðèåìíèêå ïðîèçâîäèòñÿ ñèíõðîíèçàöèÿ ÷àñòîòû è ôàçû ãåíåðàòîðà ïîäíåñóùåãî êîëåáàíèÿ. Äëÿ ïåðåäà÷è ÿðêîñòíîãî ñèãíàëà â ñèñòåìå NTSC èñïîëüçóåòñÿ ïîëîñà ÷àñòîò 0
4,18 ÌÃö. Òàêèì îáðàçîì, îñîáåííîñòüþ ñèñòåìû NTSC ÿâëÿåòñÿ ïåðåäà÷à öâåòîðàçíîñòíûõ ñèãíàëîâ ñ èñïîëüçîâàíèåì îäíîãî ïîäíåñóùåãî êîëåáàíèÿ, ìîäóëèðîâàííîãî êâàäðàòóðíîé àìïëèòóäíîé ìîäóëÿöèåé ñ ïîäàâëåííîé ïîäíåñóùåé. Äëÿ åå íîðìàëüíîé ðàáîòû íåîáõîäèìî âûïîëíÿòü æåñòêèå òðåáîâàíèÿ ê ÷àñòîòå è ôàçå èñõîäíîãî è ñèíòåçèðóåìîãî â òåëåâèçèîííîì ïðèåìíèêå ïîäíåñóùèõ êîëåáàíèé, à òàêæå ê àìïëèòóäå è ôàçå ïåðåäàâàåìîãî ìîäóëèðîâàííîãî êîëåáàíèÿ, òàê êàê èçìåíåíèå ëþáîãî èç íèõ ïðèâîäèò ê âîçíèêíîâåíèþ èñêàæåíèé ïðè öâåòîïåðåäà÷å. Êðîìå òîãî, ñîâìåñòíàÿ ïåðåäà÷à öâåòîðàçíîñòíûõ ñèãíàëîâ ïðèâîäèò ê âëèÿíèþ èõ äðóã íà äðóãà. Âñå ýòî ÿâëÿåòñÿ íåäîñòàòêîì ñèñòåìû, ïðèâåäøèì ê ðàçðàáîòêå äðóãèõ ñèñòåì. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1.  ÷åì ñîñòîèò ïðèíöèï ïîñòðîåíèÿ ñèñòåìû NTSC? 2. ×òî òàêîå êâàäðàòóðíàÿ ìîäóëÿöèÿ? Íàðèñóéòå ñòðóêòóðíóþ ñõåìó óñòðîéñòâà åå ïîëó÷åíèÿ è ðàññêàæèòå î åãî ðàáîòå. 3. Äëÿ ÷åãî íóæåí ñèíõðîííûé äåòåêòîð, è êàê îí ðàáîòàåò? 4. ×òî òàêîå öâåòîâàÿ âñïûøêà? 5. Êàêèå íåäîñòàòêè ñèñòåìû NTSC âû çíàåòå? 10.5.2. ÑÈÑÒÅÌÀ ÖÂÅÒÍÎÃÎ ÒÅËÅÂÈÄÅÍÈß SECAM
Ðàçðàáîòêà ñèñòåìû öâåòíîãî òåëåâèäåíèÿ SECAM áûëà íà÷àòà âî Ôðàíöèè, çàòåì ñèñòåìà äîðàáîòàíà ñîâìåñòíî ñ ñîâåòñêèìè ñïåöèàëèñòàìè è â íàñòîÿùåå âðåìÿ èñïîëüçóåòñÿ Ôðàíöèåé, ñòðàíàìè áûâøåãî ÑÑÑÐ, Áîëãàðèåé, Âåíãðèåé, ×åõèåé, Ñëîâàêèåé, Ïîëüøåé, Ëþêñåìáóðãîì, Ãðåöèåé, ðÿ-
257
ÃËÀÂÀ 10. ÒÅËÅÂÈÄÅÍÈÅ
à
á
Ðèñ. 10.9
äîì ñòðàí Àôðèêè, Áëèæíåãî è Ñðåäíåãî Âîñòîêà. Åå íàçâàíèå ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñîêðàùåíèå ñëîâ Sequentiel Couleur a Memoire, îçíà÷àþùèõ «ïîî÷åðåäíîñòü öâåòîâ è ïàìÿòü». Îñîáåííîñòüþ ïîñòðîåíèÿ ñèñòåìû ÿâëÿåòñÿ ïîî÷åðåäíîñòü ïåðåäà÷è öâåòîðàçíîñòíûõ ñèãíàëîâ, îñóùåñòâëÿåìûõ íà ðàçëè÷íûõ ïîäíåñóùèõ ÷àñòîòàõ ñ ïîìîùüþ ×Ì. Ïðè ýòîì â òå÷åíèå îäíîé ñòðîêè ïåðåäàåòñÿ îäèí èç öâåòîðàçíîñòíûõ ñèãíàëîâ, à â òå÷åíèå ñëåäóþùåé ñòðîêè äðóãîé. Óïðîùåííûå ñòðóêòóðíûå ñõåìû êîäèðóþùåãî è äåêîäèðóþùèõ óñòðîéñòâ ñèñòåìû SECAM ïðèâåäåíû íà ðèñ. 10.9. Ïðè êîäèðîâàíèè (ðèñ. 10.9,à) ýëåêòðîííûé êîììóòàòîð ÝÊ ïåðåêëþ÷àåòñÿ ñ ÷àñòîòîé ñòðîê, ïîäàâàÿ ïîî÷åðåäíî íà ÷àñòîòíûé ìîäóëÿòîð êðàñíûé èëè ñèíèé öâåòîðàçíîñòíûå ñèãíàëû. Íà âûõîäå ìîäóëÿòîðà ôîðìèðóåòñÿ ðåçóëüòèðóþùèé ñèãíàë öâåòíîñòè uS, êîòîðûé â äàëüíåéøåì ñóììèðóåòñÿ ñ ÿðêîñòíûì ñèãíàëîì. Òàêèì îáðàçîì, â ïîëíîì öâåòíîì òåëåâèçèîííîì ñèãíàëå êðàñíûé è ñèíèé öâåòîðàçíîñòíûå ñèãíàëû îäíîâðåìåííî íå ïðèñóòñòâóþò. Îäíàêî, êàê óêàçûâàëîñü âûøå, äëÿ âîññòàíîâëåíèÿ îñíîâíûõ öâåòîâûõ ñèãíàëîâ íåîáõîäèìî èìåííî îäíîâðåìåííîå ïðèñóòñòâèå âñåõ òðåõ öâåòîðàçíîñòíûõ ñèãíàëîâ (íàïîìíèì, ÷òî çåëåíûé öâåòîðàçíîñòíûé ñèãíàë ñèíòåçèðóåòñÿ ñóììèðîâàíèåì ñ ñîîòâåòñòâóþùèìè êîýôôèöèåíòàìè êðàñíîãî è ñèíåãî öâåòîðàçíîñòíûõ ñèãíàëîâ). Äëÿ îäíîâðåìåííîñòè ïðèñóòñòâèÿ ñèãíàëîâ â äåêîäèðóþùåì óñòðîéñòâå (ðèñ. 10.9,á) èñïîëüçóåòñÿ ëèíèÿ çàäåðæêè ËÇ è ýëåêòðîííûé êîììóòàòîð ÝÊ. Âûäåëåííûé èç ÿðêîñòíîãî ñèãíàëà ñèãíàë öâåòíîñòè uS ïîäàåòñÿ îäíîâðåìåííî íà ïåðâûé (âåðõíèé, íà ðèñ. 10.9,á) âõîä ýëåêòðîííîãî êîììóòàòîðà è ëèíèþ çàäåðæêè, êîòîðàÿ çàäåðæèâàåò ïðèõîäÿùèé ñèãíàë íà äëèòåëüíîñòü îäíîé ñòðîêè (64 ìêñ).  ýòîì ñëó÷àå íà âûõîäå ËÇ âñåãäà ïðèñóòñòâóåò ñèãíàë, ïðèøåäøèé ñ ïðåäûäóùåé ñòðîêîé. Íàïðèìåð, åñëè
258
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
íà ïåðâîì âõîäå êîììóòàòîðà äåéñòâóåò ñèãíàë, ñîîòâåòñòâóþùèé êðàñíîìó öâåòîðàçíîñòíîìó ñèãíàëó, òî â ýòî âðåìÿ íà âûõîäå ËÇ ïðèñóòñòâóåò ñèãíàë, ïðîïîðöèîíàëüíûé ñèíåìó öâåòîðàçíîñòíîìó ñèãíàëó, è íàîáîðîò. Âûõîä ËÇ ñîåäèíåí ñî âòîðûì âõîäîì êîììóòàòîðà, êîòîðûé ïåðåêëþ÷àåòñÿ òàê, ÷òî íà êàæäûé èç åãî âûõîäîâ (èçîáðàæåííûõ íà ðèñ. 10.9,á ñïðàâà) ïîñòóïàåò ñèãíàë òî òåêóùåé, òî ïðåäûäóùåé (ïðîøåäøåé ëèíèþ çàäåðæêè) ñòðîê. Îäèí èç âûõîäîâ ïîäêëþ÷åí ê ÷àñòîòíîìó äåòåêòîðó êðàñíîãî, à äðóãîé ñèíåãî öâåòîðàçíîñòíûõ ñèãíàëîâ, íà âûõîäàõ êîòîðûõ îíè è âîññòàíàâëèâàþòñÿ. Äëÿ ïðàâèëüíîãî âîññòàíîâëåíèÿ ýòèõ ñèãíàëîâ êîììóòàòîð äîëæåí áûòü ñèíõðîíèçèðîâàí ïî ÷àñòîòå è ôàçå ïåðåêëþ÷åíèÿ ñ êîììóòàòîðîì êîäèðóþùåãî óñòðîéñòâà (ðèñ. 10.9,à). Íåäîñòàòêîì òàêîãî ñïîñîáà ïåðåäà÷è öâåòîðàçíîñòíûõ ñèãíàëîâ ÿâëÿåòñÿ îäíîâðåìåííîå âûäåëåíèå ÷àñòîòíûìè äåòåêòîðàìè ñèãíàëîâ, îòíîñÿùèõñÿ ê ðàçíûì ïåðåäàâàåìûì ñòðîêàì, ÷òî ïðèâîäèò ïðè âîññòàíîâëåíèè èçîáðàæåíèÿ ê ïðîñòðàíñòâåííîìó ñìåøåíèþ è óñðåäíåíèþ öâåòîâîé èíôîðìàöèè î äåòàëÿõ, ïåðåäàííûõ äâóìÿ ñîñåäíèìè ñòðîêàìè. Îäíàêî, êàê ïîêàçûâàåò ýêñïëóàòàöèÿ, ýòî íåçàìåòíî ïðè ïðîñìîòðå òåëåïåðåäà÷. Äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ñèíõðîííîñòè è ñèíôàçíîñòè ïåðåêëþ÷åíèÿ ýëåêòðîííîãî êîììóòàòîðà èñïîëüçóþò ñèãíàëû öâåòîâîé ñèíõðîíèçàöèè, êîòîðûå èíîãäà íàçûâàþò ñèãíàëàìè îïîçíàâàíèÿ. Îíè ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ñåðèþ èç 9 ÷åðåäóþùèõñÿ èìïóëüñîâ, àìïëèòóäà è ÷àñòîòà êîòîðûõ ñîîòâåòñòâóþò äëÿ îäíèõ êðàñíîìó, à äëÿ äðóãèõ ñèíåìó öâåòîðàçíîñòíûì ñèãíàëàì. Ñèãíàëû ñèíõðîíèçàöèè ïåðåäàþòñÿ âìåñòî ñèãíàëîâ öâåòíîñòè ñ 7 ïî 15 ñòðîêó îäíîãî ïîëóêàäðà è ñ 320 ïî 328 ñòðîêó âòîðîãî ïîëóêàäðà. Âûäåëåíèå èõ è ñîîòâåòñòâóþùàÿ îáðàáîòêà ïîçâîëÿþò ôîðìèðîâàòü óïðàâëÿþùèé ñèãíàë, îáåñïå÷èâàþùèé ïðàâèëüíóþ ðàáîòó ýëåêòðîííîãî êîììóòàòîðà, êðîìå òîãî, ïðè ÷åðíî-áåëûõ ïåðåäà÷àõ îí âûêëþ÷àåò êàíàë öâåòíîñòè. Èñïîëüçîâàíèå äëÿ ïåðåäà÷è öâåòîðàçíîñòíûõ ñèãíàëîâ ÷àñòîòíîé ìîäóëÿöèè ïîçâîëÿåò ïîâûñèòü ïîìåõîçàùèùåííîñòü ñèñòåìû îò àìïëèòóäíûõ è ôàçîâûõ èñêàæåíèé ïåðåäàþùåãî òðàêòà, ÷òî âûãîäíî îòëè÷àåò ñèñòåìó SECAM îò NTSC. Ïðèìåíåíèå äëÿ ýòîãî ïîäíåñóùèõ êîëåáàíèé ðàçëè÷-
ÃËÀÂÀ 10. ÒÅËÅÂÈÄÅÍÈÅ
259
íûõ ÷àñòîò (äëÿ êðàñíîãî öâåòîðàçíîñòíîãî 4,40625 ÌÃö, äëÿ ñèíåãî 4,25 ÌÃö) óëó÷øàåò âîññòàíîâëåíèå ñèãíàëîâ. Íåäîñòàòêîì èñïîëüçîâàíèÿ òàêîãî âèäà ìîäóëÿöèè ÿâëÿåòñÿ ïîñòîÿíñòâî àìïëèòóäû ×Ì êîëåáàíèÿ, ïðèâîäÿùåå ê óâåëè÷åííîé çàìåòíîñòè ïîìåõè, íàáëþäàåìîé íà ýêðàíàõ ÷åðíîáåëûõ òåëåâèçîðîâ. Äëÿ ñíèæåíèÿ çàìåòíîñòè ôàçó ïîäíåñóùåãî êîëåáàíèÿ â íà÷àëå êàæäîé ñòðîêè èçìåíÿþò ïî îïðåäåëåííîìó çàêîíó. Ïðèìåíåíèå ïîñëåäîâàòåëüíîé ïåðåäà÷è öâåòîðàçíîñòíûõ ñèãíàëîâ è èñïîëüçîâàíèå äëÿ ýòîãî ÷àñòîòíîé ìîäóëÿöèè ïîçâîëèëî óëó÷øèòü ðàçäåëåíèå ñèãíàëîâ, ïîâûñèòü èõ ïîìåõîçàùèùåííîñòü, óìåíüøèòü âëèÿíèå À×Õ òðàêòà íà êà÷åñòâî öâåòîïåðåäà÷è. Âñå ýòî îáåñïå÷èâàåò óìåíüøåíèå öâåòîâûõ èñêàæåíèé ïðè âîññòàíîâëåíèè ïåðåäàâàåìîãî èçîáðàæåíèÿ. Ê íåäîñòàòêàì ñèñòåìû ìîæíî îòíåñòè óâåëè÷åííóþ çàìåòíîñòü ïîìåõè îò öâåòîâîé ïîäíåñóùåé, êîòîðàÿ îñîáåííî ïðîÿâëÿåòñÿ â ÷åðíî-áåëûõ òåëåâèçîðàõ, à òàêæå ïîÿâëåíèå íåêîòîðûõ äîïîëíèòåëüíûõ èñêàæåíèé, ñâÿçàííûõ ñî ñïåöèôè÷åñêèìè îñîáåííîñòÿìè, îáóñëîâëåííûìè ðåàëèçàöèåé ýòîãî ñïîñîáà ïåðåäà÷è öâåòîðàçíîñòíûõ ñèãíàëîâ. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1.  ÷åì ñîñòîèò ïðèíöèï ïîñòðîåíèÿ ñèñòåìû SECAM? 2. Íàðèñóéòå óïðîùåííûå ñòðóêòóðíûå ñõåìû êîäèðóþùåãî è äåêîäèðóþùèõ óñòðîéñòâ ñèñòåìû SECAM è ðàññêàæèòå î åãî ðàáîòå. 3. ×òî òàêîå ñèãíàëû îïîçíàâàíèÿ? 5. Êàêèå íåäîñòàòêè ó ñèñòåìû SECAM? 10.5.3. ÑÈÑÒÅÌÀ ÖÂÅÒÍÎÃÎ ÒÅËÅÂÈÄÅÍÈß PAL
Ñèñòåìà PAL ðàçðàáîòàíà íåìåöêîé ôèðìîé Telefunken è â íàñòîÿùåå âðåìÿ èñïîëüçóåòñÿ â áîëüøèíñòâå ñòðàí Çàïàäíîé Åâðîïû (Ãåðìàíèè, Âåëèêîáðèòàíèè, Øâåöèè, Àâñòðèè, Íîðâåãèè, Áåëüãèè, Äàíèè, Èñïàíèè, Èòàëèè), Àôðèêè, Àçèè, Àâñòðàëèè è äð. Åå íàçâàíèå ñîñòàâëåíî èç íà÷àëüíûõ áóêâ àíãëèéñêîé ôðàçû, îòðàæàþùåé ñóùíîñòü ïîñòðîåíèÿ ñèñòåìû «Phase Alternation Line» (÷åðåäîâàíèå ôàçû ïî ñòðîêàì).  íåé òàê æå, êàê â ñèñòåìå NTSC, öâåòîðàçíîñòíûå ñèãíàëû ïåðåäàþòñÿ îäíîâðåìåííî ñ ïîìîùüþ êâàäðàòóðíîé àìïëèòóäíîé ìîäóëÿöèè íà îäíîé ïîäíåñóùåé, íî â îòëè÷èå îò NTSC, ôàçà êðàñíîãî ìîäóëèðîâàííîãî öâåòîðàçíîñòíîãî
260 à
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
á
â
Ðèñ. 10.10
ñèãíàëà uÀÌR-Y îò ñòðîêè ê ñòðîêå ìåíÿåòñÿ íà ïðîòèâîïîëîæíóþ (ðèñ. 10.10,à è á). Ðåçóëüòèðóþùèé ñèãíàë öâåòíîñòè uS îò ñòðîêè ê ñòðîêå áóäåò èçìåíÿòü çíàê ôàçîâîãî óãëà (âåêòîðû uS è uS* íà ðèñ. 10.10). Äëÿ âîññòàíîâëåíèÿ â êàæäîé ñòðîêå èñõîäíîãî (äî èçìåíåíèÿ ôàçû) ñèãíàëà uÀÌ R-Y íåîáõîäèìî ôàçó îïîðíîãî íàïðÿæåíèÿ ïîäíåñóùåé ÷àñòîòû, ïîäàâàåìîãî íà âòîðîé âõîä ñèíõðîííîãî äåòåêòîðà, â íà÷àëå êàæäîé ñòðîêè ìåíÿòü ñêà÷êîì íà 180°. Ïðè òàêîì ñïîñîáå ìîäóëÿöèè ñóùåñòâóåò âîçìîæíîñòü ïðîñòðàíñòâåííîé êîìïåíñàöèè ôàçîâûõ èñêàæåíèé, êîòîðûå ìîãóò âîçíèêàòü ïðè ïåðåäà÷å ñèãíàëà öâåòíîñòè. Äåéñòâèòåëüíî, ïðè èõ âîçíèêíîâåíèè ê ôàçàì îáîèõ ñèãíàëîâ uS è uS* (ðèñ. 10.10,à è á) áóäåò äîáàâëåí îäèíàêîâûé ôàçîâûé ñäâèã a, íî ó îäíîãî ñèãíàëà (ðèñ. 10.10,à) îáùóþ ôàçó îí óâåëè÷èò, à ó äðóãîãî (ðèñ. 10.10,á) óìåíüøèò. Ïðè äåòåêòèðîâàíèè â ñèíõðîííîì äåòåêòîðå (ñ èçìåíåíèåì ôàçû íà 180°) ñèãíàë u*S ïåðåõîäèò â âåðõíþþ ïîëóïëîñêîñòü ñ ñîõðàíåíèåì ïîëó÷åííîé ôàçû (íà ðèñ. 10.10,â ýòî ïîêàçàíî çíàêîì ìèíóñ ïåðåä ðåçóëüòèðóþùåé ôàçîé êîëåáàíèÿ u*S). Ñëåäîâàòåëüíî, uS è uS* îêàæóòñÿ ñäâèíóòûìè îòíîñèòåëüíî ïåðâîíà÷àëüíîãî ïîëîæåíèÿ íà îäèíàêîâûé óãîë a, íî â ïðîòèâîïîëîæíûõ íàïðàâëåíèÿõ, è èõ âåêòîðíîå ñëîæåíèå åãî ñêîìïåíñèðóåò (ðèñ. 10.10,â). Ïðè ýòîì äëèíà ðåçóëüòèðóþùåãî âåêòîðà uS Ð îêàæåòñÿ ìåíüøå, ÷åì ïðè ñèíôàçíîì ñëîæåíèè (òî åñòü â îòñóòñòâèè äîïîëíèòåëüíîãî ôàçîâîãî ñäâèãà a), à çíà÷èò, ôàçîâûå èñêàæåíèÿ ïåðåõîäÿò â èñêàæåíèÿ àìïëèòóäû ñèãíàëà öâåòíîñòè. Íî ýòî ìåíåå çàìåòíî äëÿ òåëåçðèòåëÿ, òàê êàê èçìåíåíèå ôàçû ïðèâîäèò íà ýêðàíå òåëåâèçîðà ê èçìåíåíèþ öâåòà, à èçìåíåíèå äëèíû âåêòîðà ê èçìåíåíèþ öâåòîâîé íàñûùåííîñòè, è ýòî ìåíåå çàìåòíî, ÷åì èçìåíåíèå öâåòà.
261
ÃËÀÂÀ 10. ÒÅËÅÂÈÄÅÍÈÅ
Êàê âèäíî èç ïðèâåäåííîãî îïèñàíèÿ, äëÿ êîìïåíñàöèè íåîáõîäèìû äâå ñîñåäíèå ñòðîêè. Êîìïåíñàöèÿ ìîæåò áûòü ïðîñòðàíñòâåííîé, âûçûâàÿ óñðåäíåíèå öâåòîîùóùåíèÿ íåïîñðåäñòâåííî ó çðèòåëÿ, ñìîòðÿùåãî íà ýêðàí, ëèáî îñóùåñòâëÿòüñÿ ñ ïîìîùüþ ñîîòâåòñòâóþùåãî óñòðîéñòâà.  ýòîì ñëó÷àå, êàê è â ñèñòåìå SECAM, èñïîëüçóåòñÿ ëèíèÿ çàäåðæêè ñèãíàëà öâåòíîñòè íà îäíó ñòðîêó. Ïðèìåíåíèå ËÇ ïîçâîëÿåò íå òîëüêî êîìïåíñèðîâàòü ôàçîâûå ñäâèãè, íî è ýôôåêòèâíî ðàçäåëèòü ìîäóëèðîâàííûå öâåòîðàçíîñòíûå ñèãíàëû åùå äî ïîäà÷è èõ íà ñèíõðîííûå äåòåêòîðû. Óïðîùåííàÿ ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà òàêîãî óñòðîéñòâà è ïîÿñíÿþùèå åå ðàáîòó âåêòîðíûå äèàãðàììû ïðèâåäåíû íà ðèñ. 10.11. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî íà âõîäå óñòðîéñòâà (ðèñ. 10.11,à) äåéñòâóåò ñèãíàë, ñîîòâåòñòâóþùèé n-é ñòðîêå (ðèñ. 10.11,á). Òîãäà âåêòîðíàÿ äèàãðàììà ñèãíàëà íà âûõîäå ëèíèè çàäåðæêè ËÇ áóäåò èìåòü âèä, ïîêàçàííûé íà ðèñ. 10.11,â. Ýòè ñèãíàëû ïîäàþòñÿ íà ñóììàòîð uÀÌÂ-Y, â êîòîðîì íàïðàâëåííûå â ïðîòèâîïîëîæíûå ñòîðîíû âåêòîðû uÀÌR-Y âû÷èòàþòñÿ, è íà âûõîäå ñóììàòîðà âûäåëÿåòñÿ óäâîåííîå çíà÷åíèå âåêòîðà uÀÌÂ-Y (ðèñ. 10.11,ã). Âõîäíîé ñèãíàë (ðèñ. 10.11,à), êðîìå óêàçàííûõ âûøå áëîêîâ, ïîäàåòñÿ åùå è íà èíâåðòîð, â êîòîðîì åãî ôàçà ìåíÿåòñÿ
á
à
â
ã ä
å Ðèñ. 10.11
262
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
íà ïðîòèâîïîëîæíóþ (ðèñ. 10.11,ä). Òîãäà íà âõîäàõ ñóììàòîðà uÀÌR-Y äåéñòâóþò êîëåáàíèÿ, âåêòîðíûå äèàãðàììû êîòîðûõ ïðèâåäåíû íà ðèñ. 10.11,â è ä.  íèõ ïðîòèâîïîëîæíî íàïðàâëåíû âåêòîðû uÀÌÂ-Y è, ñëåäîâàòåëüíî, îíè âû÷èòàþòñÿ. Òîãäà íà âûõîäå ñóììàòîðà äåéñòâóåò óäâîåííîå çíà÷åíèå uÀÌR-Y. Òàêèì îáðàçîì, íà âûõîäå ñóììàòîðîâ âûäåëÿþòñÿ íàïðÿæåíèÿ uÀÌÂ-Y è uÀÌR-Y, êîòîðûå ïîëíîñòüþ ðàçäåëåíû ìåæäó ñîáîé, îðòîãîíàëüíû, íî ôàçà uÀÌR-Y ïðîäîëæàåò îò ñòðîêè ê ñòðîêå ìåíÿòüñÿ íà ïðîòèâîïîëîæíóþ. Äëÿ âîññòàíîâëåíèÿ öâåòîðàçíîñòíûõ ñèãíàëîâ ÅÂ-Y è ÅR-Y êîëåáàíèÿ ñ ñóììàòîðîâ ïîäàþòñÿ íà ïåðâûå âõîäû ñîîòâåòñòâóþùèõ ñèíõðîííûõ äåòåêòîðîâ, à íà èõ âòîðûå âõîäû ïîäàåòñÿ íàïðÿæåíèå ñ ÷àñòîòîé ïîäíåñóùåãî êîëåáàíèÿ. Ïðè ýòîì äëÿ äåòåêòèðîâàíèÿ êðàñíîãî öâåòîðàçíîñòíîãî ñèãíàëà ôàçà îïîðíîãî êîëåáàíèÿ ñäâèíóòà ïî îòíîøåíèþ ê êîëåáàíèþ èñïîëüçóåìîãî äëÿ äåòåêòèðîâàíèÿ ñèíåãî öâåòîðàçíîñòíîãî ñèãíàëà â îäíîé ñòðîêå íà 90° (uÀÌÂ-Y è uÀÌR-Y îðòîãîíàëüíû), â äðóãîé íà 270° (íà÷àëüíàÿ ôàçà uÀÌR-Y îò ñòðîêè ê ñòðîêå ìåíÿåòñÿ íà 180°). Äëÿ ïðàâèëüíîé ðàáîòû äåêîäèðóþùåãî óñòðîéñòâà òåëåâèçèîííîãî ïðèåìíèêà íåîáõîäèìî, êàê è â ñèñòåìå NTSC, çíàòü òî÷íîå çíà÷åíèå ÷àñòîòû è ôàçû èñõîäíîãî ïîäíåñóùåãî êîëåáàíèÿ. Òàêàÿ èíôîðìàöèÿ ïåðåäàåòñÿ ñèãíàëîì öâåòîâîé ñèíõðîíèçàöèè (öâåòîâîé âñïûøêè).  íåé ôàçà êîëåáàíèÿ îò ñòðîêè ê ñòðîêå èçìåíÿåòñÿ íà ïðîòèâîïîëîæíóþ, è ýòî èñïîëüçóåòñÿ äëÿ ïåðåêëþ÷åíèÿ ôàçû ñèíõðîííîãî äåòåêòîðà êðàñíîãî öâåòîðàçíîñòíîãî ñèãíàëà. Ýòîò æå ñèãíàë ïîçâîëÿåò îòêëþ÷àòü êàíàë öâåòíîñòè ïðè ÷åðíî-áåëîé ïåðåäà÷å. Äëÿ ïåðåäà÷è ÿðêîñòíîãî ñèãíàëà â ñèñòåìå PAL èñïîëüçóåòñÿ ïîëîñà ïðîïóñêàíèÿ 0
5 ÌÃö, ÷àñòîòà ïîäíåñóùåé ñèãíàëà öâåòíîñòè ðàâíà 4,43 ÌÃö. Òàêèì îáðàçîì, ñèñòåìà PAL îòëè÷àåòñÿ îò NTSC ïîíèæåííûì çíà÷åíèåì ÷óâñòâèòåëüíîñòè ê ôàçîâûì èñêàæåíèÿì. Ýòî òðåáóåò îïðåäåëåííîãî óñëîæíåíèÿ óñòðîéñòâ. Êðîìå òîãî, óñðåäíåíèå öâåòíîñòè äâóõ ñîñåäíèõ ñòðîê ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ öâåòîâîé ÷åòêîñòè ïî âåðòèêàëè (îò ñòðîêè ê ñòðîêå), íî ïðîÿâëåíèå ýòèõ èñêàæåíèé íà êà÷åñòâå ïðîñìîòðà ïðîãðàìì ñêàçûâàåòñÿ â çíà÷èòåëüíî ìåíüøåé ñòåïåíè, ÷åì èñêàæåíèÿ öâåòîïåðåäà÷è.
263
ÃËÀÂÀ 10. ÒÅËÅÂÈÄÅÍÈÅ
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ 1.  ÷åì ñîñòîèò îñîáåííîñòü ïîñòðîåíèÿ ñèñòåìû PAL? 2. Íàðèñóéòå âåêòîðíûå äèàãðàììû è ïîÿñíèòå èñïîëüçóåìûé ïðèíöèï êîìïåíñàöèè ôàçîâûõ èñêàæåíèé öâåòîðàçíîñòíûõ ñèãíàëîâ. 3. Íàðèñóéòå óïðîùåííóþ ñòðóêòóðíóþ ñõåìó èñïîëüçîâàííîãî â ñèñòåìå PAL ðàçäåëåíèÿ ìîäóëèðîâàííûõ öâåòîðàçíîñòíûõ ñèãíàëîâ è ïîÿñíèòå åå ðàáîòó. 5. Êàêèå íåäîñòàòêè ó ñèñòåìû PAL?
10.6. ÖÈÔÐÎÂÎÅ ÒÅËÅÂÈÄÅÍÈÅ Ðàññìîòðåííûå âûøå ñïîñîáû ñîçäàíèÿ ñèñòåì âåùàòåëüíîãî òåëåâèäåíèÿ ïðåäïîëàãàþò ïåðåäà÷ó â òå÷åíèå îäíîé ñòðîêè íåïðåðûâíîãî (àíàëîãîâîãî) ñèãíàëà. Îäíàêî òàêîé ñèãíàë èìååò ìàëóþ ïîìåõîçàùèùåííîñòü: ïðè äåéñòâèè ðàçëè÷íîãî ðîäà øóìîâ, ïîìåõ, çàìèðàíèé â ëèíèè ñâÿçè ñèãíàë èñêàæàåòñÿ, è âîññòàíîâèòü åãî èñõîäíîå çíà÷åíèå íåâîçìîæíî. Äëÿ îáåñïå÷åíèÿ òåëåâèäåíèåì îòäàëåííûõ íàñåëåííûõ ïóíêòîâ òåëåâèçèîííûé ñèãíàë ïåðåäàåòñÿ ïî ðàäèîðåëåéíûì ëèíèÿì è ñ ïîìîùüþ òåëåâèçèîííûõ ðåòðàíñëÿòîðîâ, â êîòîðûõ îí ïîäâåðãàåòñÿ ìíîãî÷èñëåííûì ïðåîáðàçîâàíèÿì, äîáàâëÿþùèì íàêàïëèâàþùèåñÿ øóìû è ïîìåõè. Ýòè íåäîñòàòêè â çíà÷èòåëüíîé ñòåïåíè óìåíüøåíû ïðè ïåðåäà÷å öèôðîâûõ ñèãíàëîâ, â êîòîðûõ ÷èñëî ãðàäàöèé àìïëèòóäû çàðàíåå èçâåñòíî (íàïðèìåð, äâå) è âîçäåéñòâèå íà êîòîðûå ïîìåõ çíà÷èòåëüíî îñëàáëåíî. Ïîýòîìó â íàñòîÿùåå âðåìÿ (îñîáåííî â ñâÿçè ñ ðàçâèòèåì öèôðîâîé òåõíèêè è êîìïüþòåðíûõ ñåòåé ïåðåäà÷è èíôîðìàöèè) âñå áîëüøåå ðàçâèòèå ïîëó÷àåò öèôðîâîå òåëåâèäåíèå. Öèôðîâîå òåëåâèäåíèå ýòî îáëàñòü òåëåâèçèîííîé òåõíèêè, â êîòîðîé îïåðàöèè îáðàáîòêè è ïåðåäà÷è òåëåâèçèîííîãî ñèãíàëà ñâÿçàíû ñ åãî ïðåîáðàçîâàíèåì â öèôðîâóþ ôîðìó. Óïðîùåííàÿ ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà òðàêòà öèôðîâîãî òåëåâèäåíèÿ ïðèâåäåíà íà ðèñ. 10.12. Èñõîäíûé, ñôîðìèðîâàííûé ñ èñïîëüçîâàíèåì ðàññìîòðåííûõ âûøå ìåòîäîâ, àíàëîãîâûé òåëåâèçèîííûé ñèãíàë
Ðèñ. 10.12
264
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
ñ ïîìîùüþ àíàëîãî-öèôðîâîãî ïðåîáðàçîâàòåëÿ (ÀÖÏ) ïðåîáðàçóåòñÿ â öèôðîâóþ ôîðìó. Ïîëó÷àþùèéñÿ ïðè ýòîì öèôðîâîé ïîòîê âåëèê, äëÿ åãî óìåíüøåíèÿ ñèãíàë îáðàáàòûâàþò (êîäèðóþò). Çàòåì ïåðåäàþò ïî êàíàëàì ñâÿçè ê òåëåâèçèîííîìó ïðèåìíèêó, â êîòîðîì ïðîèñõîäèò ïðîöåññ âîññòàíîâëåíèÿ (äåêîäèðîâàíèÿ) öèôðîâîé ôîðìû ñèãíàëà, ïðåîáðàçóåìîé ñ ïîìîùüþ öèôðî-àíàëîãîâîãî ïðåîáðàçîâàòåëÿ (ÖÀÏ) â èñõîäíûé àíàëîãîâûé âèä. Ïðè ïðåîáðàçîâàíèè àíàëîãîâîãî ñèãíàëà â öèôðîâîé îí, êàê è îáû÷íî, ïîäâåðãàåòñÿ äèñêðåòèçàöèè ïî âðåìåíè è êâàíòîâàíèþ ïî àìïëèòóäå. Çàòåì ïîëó÷åííîå çíà÷åíèå êàæäîé êâàíòîâàííîé âûáîðêè ñèãíàëà ïðåîáðàçóþò â äâîè÷íûé êîä (èìïóëüñíî-êîäîâàÿ ìîäóëÿöèÿ). Íàïîìíèì, ÷òî îäíîé èç îñíîâíûõ õàðàêòåðèñòèê òàêîãî ñèãíàëà ÿâëÿåòñÿ ñêîðîñòü öèôðîâîãî ïîòîêà, îïðåäåëÿåìàÿ ïðîèçâåäåíèåì ÷àñòîòû äèñêðåòèçàöèè (êîëè÷åñòâà îòñ÷åòîâ çà ñåêóíäó) íà ðàçðÿäíîñòü ÷èñëà (÷èñëî äâîè÷íûõ ñèìâîëîâ åãî ïðåäñòàâëåíèÿ). Êàê èçâåñòíî (ðàçäåë 1.6), ÷àñòîòà äèñêðåòèçàöèè äîëæíà áûòü, ïî êðàéíåé ìåðå, âäâîå áîëüøå âåðõíåé ÷àñòîòû ñïåêòðà òåëåâèçèîííîãî ñèãíàëà, à çíà÷èò, èìåòü çíà÷åíèå áîëåå 13 ÌÃö (íàïðèìåð, â ñòóäèéíîì öèôðîâîì îáîðóäîâàíèè îíà ðàâíà 13,5 ÌÃö). Ïðè îïðåäåëåíèè ÷èñëà óðîâíåé êâàíòîâàíèÿ èñïîëüçóåòñÿ ðàññìîòðåííàÿ âûøå êîíòðàñòíàÿ ðàçëè÷èòåëüíàÿ ñïîñîáíîñòü ãëàçà.  ðàçäåëå 10.1 ïðèâåäåíî, ÷òî â ñðåäíåì ÷åëîâåê âîñïðèíèìàåò 94 ãðàäàöèè ÿðêîñòè. Äëÿ èõ ïðåäñòàâëåíèÿ â äâîè÷íîì êîäå òðåáóåòñÿ k = log 2 94 » 6,6 (òî åñòü 7) äâîè÷íûõ ðàçðÿäîâ. Îäíàêî äîñòàòî÷íî áîëüøîå êîëè÷åñòâî ëþäåé âîñïðèíèìàþò âäâîå áîëüøåå ÷èñëî ãðàäàöèé ÿðêîñòè, à çíà÷èò, ðàçðÿäíîñòü äâîè÷íûõ ÷èñåë öåëåñîîáðàçíî óâåëè÷èòü äî 8. Òàêèì îáðàçîì, òåëåâèçèîííûé âèäåîñèãíàë äîëæåí áûòü ïðåäñòàâëåí 7 èëè 8 ðàçðÿäíûì äâîè÷íûì êîäîì.  ýòîì ñëó÷àå ñêîðîñòü öèôðîâîãî ïîòîêà ñîñòàâèò 13,5 ÌÃö ´ 8 áèò = 108 Ìáèò/ñ. Ó÷èòûâàÿ, ÷òî êðîìå ñèãíàëà ÿðêîñòè äîëæíà áûòü ïåðåäàíà èíôîðìàöèÿ î öâåòå èçîáðàæåíèÿ, òðåáóåìàÿ ñêîðîñòü ïîòîêà âîçðàñòàåò âäâîå è äîñòèãàåò 216 Ìáèò/ñ. Ñòîëü áîëüøàÿ ñêîðîñòü îãðàíè÷èâàåò âîçìîæíîñòè ïðèìåíåíèÿ öèôðîâîãî òåëåâèäåíèÿ äëÿ ìàññîâîãî âåùàíèÿ, ïîýòîìó îñíîâíîé çàäà÷åé ïðè ïðîåêòèðîâàíèè òàêèõ ñèñòåì ÿâëÿåòñÿ óìåíüøåíèå öèôðîâîãî ïîòîêà. Ðàññìîòðèì ïóòè åå ðåøåíèÿ, èñïîëüçóåìûå ïðè ïîñòðîåíèè ñèñòåì öèôðîâîãî âåùàòåëüíîãî òåëåâèäåíèÿ.
ÃËÀÂÀ 10. ÒÅËÅÂÈÄÅÍÈÅ
265
×àñòîòà äèñêðåòèçàöèè îïðåäåëÿåò ÷èñëî çàñâå÷èâàåìûõ íà ýêðàíå òî÷åê. Åñëè èõ êîëè÷åñòâî â êàæäîé ñòðîêå áóäåò îäíèì è òåì æå, òî òî÷êè îêàæóòñÿ ðàñïîëîæåííûìè äðóã ïîä äðóãîì.  ýòîì ñëó÷àå ïðè óìåíüøåíèè ÷èñëà òî÷åê ðàçëîæåíèÿ â ñòðîêå íà ýêðàíå òåëåâèçîðà âñå ÿâñòâåííåå áóäåò ïðîÿâëÿòüñÿ ëèíåé÷àòîñòü ñòðóêòóðû ôîðìèðóåìîãî èçîáðàæåíèÿ (ðàñïîëîæåííûå îäèíàêîâî îòíîñèòåëüíî íà÷àëà ñòðîêè òî÷êè â ñîñåäíèõ ñòðîêàõ îáðàçóþò âñå áîëåå çàìåòíûå âåðòèêàëüíûå ëèíèè). Îäíàêî, åñëè îòñ÷åòíûå òî÷êè (ïî êîòîðûì íà ýêðàíå çàñâå÷èâàåòñÿ ýëåìåíò èçîáðàæåíèÿ) âûáèðàòü ðàñïîëîæåííûìè íå äðóã ïîä äðóãîì, à â øàõìàòíîì ïîðÿäêå, òî åñòü â ñîñåäíèõ ñòðîêàõ èõ ñìåñòèòü äðóã îòíîñèòåëüíî äðóãà íà ïîëîâèíó ðàçìåðà îäíîãî ýëåìåíòà èçîáðàæåíèÿ, òî çàìåòíîñòü ýòîãî âèäà èñêàæåíèé ðåçêî óìåíüøàåòñÿ. Ýòî ïîçâîëÿåò áåç ñóùåñòâåííîãî óõóäøåíèÿ êà÷åñòâà âîñïðîèçâîäèìîãî èçîáðàæåíèÿ ñíèçèòü ÷àñòîòó äèñêðåòèçàöèè äî 8
8,5 ÌÃö. Ñëåäóþùåé âîçìîæíîñòüþ ñíèæåíèÿ öèôðîâîãî ïîòîêà ÿâëÿåòñÿ óìåíüøåíèå ÷èñëà óðîâíåé êâàíòîâàíèÿ. Äëÿ ýòîãî èñïîëüçóþò íåëèíåéíóþ øêàëó êâàíòîâàíèÿ, òî åñòü êîãäà îäèí óðîâåíü êâàíòîâàíèÿ îòñòîèò îò äðóãîãî íà íåîäèíàêîâîå çíà÷åíèå. Ýòî îñíîâûâàåòñÿ íà òîì, ÷òî ÷åëîâåê îùóùàåò îäèíàêîâîå èçìåíåíèå ÿðêîñòè äâóõ ñâåòÿùèõñÿ òî÷åê ïî-ðàçíîìó â çàâèñèìîñòè îò àáñîëþòíîãî çíà÷åíèÿ ÿðêîñòè, è ýòî îùóùåíèå ïðîïîðöèîíàëüíî ëîãàðèôìó îòíîøåíèÿ ÿðêîñòè ñâå÷åíèÿ òî÷åê. Ïîýòîìó øàã êâàíòîâàíèÿ ñ óâåëè÷åíèåì ÿðêîñòè ìîæíî óâåëè÷èòü. Êàê ïîêàçûâàþò èññëåäîâàíèÿ, êà÷åñòâî èçîáðàæåíèÿ ïðè 7-ìè ðàçðÿäíîì ëîãàðèôìè÷åñêîì è 8-ðàçðÿäíîì ðàâíîìåðíîì êâàíòîâàíèè îñòàåòñÿ îäèíàêîâûì. Äðóãîé âîçìîæíîñòüþ óìåíüøåíèÿ öèôðîâîãî ïîòîêà ÿâëÿåòñÿ ïðèìåíåíèå êîäèðîâàíèÿ ÿðêîñòíîãî òåëåâèçèîííîãî ñèãíàëà, ïðè êîòîðîì èç íåãî óäàëÿåòñÿ ÷àñòü èíôîðìàöèîííîé èçáûòî÷íîñòè. Èñïîëüçóþò ðàçëè÷íûå ìåòîäû êîäèðîâàíèÿ, íî íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåíû èç íèõ: êîäèðîâàíèå ñ ïðåäñêàçàíèåì, ãðóïïîâîå êîäèðîâàíèå ñ ïðåîáðàçîâàíèåì è àäàïòèâíîå ãðóïïîâîå êîäèðîâàíèå. Ïðè êîäèðîâàíèè ñ ïðåäñêàçàíèåì (äèôôåðåíöèàëüíàÿ èìïóëüñíî-êîäîâàÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü) ïåðâîé â ïîñëåäîâàòåëüíîñòè ïåðåäàåòñÿ ïîëíîå çíà÷åíèå ïåðâîé âûáîðêè ñèãíàëà, à â äàëüíåéøåì ïåðåäàþòñÿ òîëüêî ðàçíîñòè ìåæäó êàæäîé ïîñëåäóþùåé è ïðåäûäóùåé âûáîðêîé. Âîññòàíîâëåíèå ïðîèñõîäèò îáðàòíûì
266
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
ñïîñîáîì: ê çíà÷åíèþ ïåðâîé âûáîðêè äîáàâëÿåòñÿ ïåðåäàííàÿ ðàçíîñòü, ê ïîëó÷åííîé âåëè÷èíå äîáàâëÿåòñÿ ñëåäóþùàÿ ðàçíîñòü è ò. ä. Äîñòèãàåìîå â ýòîì ñëó÷àå çíà÷èòåëüíîå óìåíüøåíèå ðàçðÿäíîñòè ïåðåäàâàåìîãî ñèãíàëà ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî îáû÷íî ðÿäîì ðàñïîëîæåííûå ýëåìåíòû èçîáðàæåíèÿ èìåþò áëèçêèå çíà÷åíèÿ ÿðêîñòè è ðåçêî èçìåíÿþùèåñÿ åå ãðàäàöèè âñòðå÷àþòñÿ ðåäêî. Ïðè ãðóïïîâîì êîäèðîâàíèè âñå èçîáðàæåíèå ðàçäåëÿþò íà íåáîëüøèå ó÷àñòêè (ãðóïïû), ñîñòîÿùèå èç íåñêîëüêèõ ýëåìåíòîâ. Êîëåáàíèå ÿðêîñòè âíóòðè êàæäîé ãðóïïû ðàçëàãàþò â ðÿä Ôóðüå. Ïîëó÷åííûå êîýôôèöèåíòû ïåðåäàþò, è ïî èõ çíà÷åíèÿì â ïðèåìíîì äåêîäèðóþùåì óñòðîéñòâå âîññòàíàâëèâàþò èñõîäíîå èçîáðàæåíèå. Ðàçëè÷íûå êîýôôèöèåíòû ðàçëîæåíèÿ èìåþò ðàçíûå ÷èñëîâûå çíà÷åíèÿ, è òå èç íèõ, âåëè÷èíà êîòîðûõ ìàëà, ïåðåäàþò ñ ìåíüøèì ÷èñëîì ðàçðÿäîâ èëè âîîáùå íå ïåðåäàþò. Ýòî ïîçâîëÿåò ñóùåñòâåííî ñîêðàòèòü îáúåì ïåðåäàâàåìîãî öèôðîâîãî ïîòîêà. Àäàïòèâíîå ãðóïïîâîå êîäèðîâàíèå èñïîëüçóåò îñîáåííîñòü àäàïòàöèè ÷åëîâå÷åñêîãî ãëàçà ê ñðåäíåé ÿðêîñòè èçîáðàæåíèÿ. Ïðè ðàññìîòðåíèè íåáîëüøîãî ó÷àñòêà èçîáðàæåíèÿ ãëàç ñíà÷àëà óñðåäíÿåò åãî ÿðêîñòü, à çàòåì óæå âûäåëÿåò íà íåì ÿðêîñòè îòäåëüíûõ ýëåìåíòîâ. Ïðè÷åì ðàçëè÷èå â èçìåíåíèè ÿðêîñòè â ãðóïïå ðàçìåðàìè 4 ´ 4 òåëåâèçèîííûõ ýëåìåíòà ðàçëîæåíèÿ ãëàç íå îùóùàåò. Ïîýòîìó ïåðåäàåòñÿ èíôîðìàöèÿ î ñðåäíåé ÿðêîñòè ó÷àñòêà èçîáðàæåíèÿ è ñðåäíåé ÿðêîñòè êîíòóðîâ è ìåëêèõ äåòàëåé óêàçàííîãî ðàçìåðà. Ïðèìåíåíèå ðàññìîòðåííûõ ìåòîäîâ êîäèðîâàíèÿ ïîçâîëÿåò ñíèçèòü èíôîðìàöèîííóþ åìêîñòü òåëåâèçèîííîãî âèäåîñèãíàëà äî 1
2 áèò íà ýëåìåíò ðàçëîæåíèÿ èçîáðàæåíèÿ. Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäàíèÿ
1. ×òî òàêîå öèôðîâîå òåëåâèäåíèå? 2. Íàðèñóéòå óïðîùåííóþ ñòðóêòóðíóþ ñõåìó öèôðîâîãî òåëåâèäåíèÿ è ðàññêàæèòå î íàçíà÷åíèè åå ýëåìåíòîâ. 3. Ðàññêàæèòå î ìåòîäàõ ñíèæåíèÿ öèôðîâîãî ïîòîêà â òåëåâèäåíèè. 4. Êàêèì ñïîñîáîì ìîæíî óìåíüøèòü òðåáóåìóþ ÷àñòîòó äèñêðåòèçàöèè ñèãíàëà? 5. Êàêèì ñïîñîáîì ìîæíî óìåíüøèòü íåîáõîäèìîå ÷èñëî óðîâíåé êâàíòîâàíèÿ ñèãíàëà? 6. Êàêèì ñïîñîáîì ìîæíî ñíèçèòü íåîáõîäèìóþ ðàçðÿäíîñòü ïðåäñòàâëåíèÿ âûáîðêè ÿðêîñòíîãî ñèãíàëà?
ÑÏÈÑÎÊ ËÈÒÅÐÀÒÓÐÛ 1. Áàêàëîâ Â. Ï., Äìèòðèêîâ Â. Ô., Êðóê Á. È. Îñíîâû òåîðèè öåïåé: Ó÷åáíèê äëÿ âóçîâ / Ïîä ðåä. Â. Ï. Áàêàëîâà. 2-å èçä., ïåðåðàá. è äîï. Ì.: Ðàäèî è ñâÿçü, 2003. 2. Ãåðøåíçîí Å. Ì., Ïîëÿíèíà Ã. Ä., Ñîèíà Í. Â. Ðàäèîòåõíèêà. Ì.: Ïðîñâåùåíèå, 1986. 3. Ãîëîâèí Î. Â., ×èñòÿêîâ Í. È., Øâàðö Â., Õàðäîí Àãèëÿð È. Ðàäèîñâÿçü / Ïîä ðåä. Î. Â. Ãîëîâèíà. Ì.: Ãîðÿ÷àÿ ëèíèÿ-Òåëåêîì, 2001. 4. Ãîíîðîâñêèé È. Ñ., Äåìèí Ì. Ï. Ðàäèîòåõíè÷åñêèå öåïè è ñèãíàëû: Ó÷åá. ïîñîáèå äëÿ âóçîâ. 5-å èçä., ïåðåðàá. è äîï. Ì.: Ðàäèî è ñâÿçü, 1994. 5. Íîãèí Â. Í. Àíàëîãîâûå ýëåêòðîííûå óñòðîéñòâà: Ó÷åá. ïîñîáèå äëÿ âóçîâ. Ì.: Ðàäèî è ñâÿçü, 1992. 6. Ïàâëîâ Â. Í., Íîãèí Â. Í. Ñõåìîòåõíèêà àíàëîãîâûõ ýëåêòðîííûõ óñòðîéñòâ: Ó÷åáíèê äëÿ âóçîâ. Èçä. 3-å, èñïðàâë. Ì.: Ðàäèî è ñâÿçü, 2003. 7. Ðàäèîïðèåìíûå óñòðîéñòâà: Ó÷åáíèê äëÿ âóçîâ / Í. Í. Ôîìèí, Í. Í. Áóãà, Î. Â. Ãîëîâèí è äð. Ïîä ðåä. Í. Í. Ôîìèíà. Ì.: Ðàäèî è ñâÿçü, 2003. 8. Òåëåâèäåíèå: Ó÷åáíèê äëÿ âóçîâ / Â. Å. Äæàêîíèÿ, À. À. Ãîãîëü, ß. Â. Äðóçèí è äð.; Ïîä ðåä. Â. Å. Äæàêîíèè. Èçä. 3-å. Ì.: Ãîðÿ÷àÿ ëèíèÿ-Òåëåêîì, 2004.
ÎÃËÀÂËÅÍÈÅ Ïðåäèñëîâèå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ñïèñîê ïðèíÿòûõ ñîêðàùåíèé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ââåäåíèå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 5 6
Ãëàâà ïåðâàÿ Ñèãíàëû ñîîáùåíèÿ è ðàäèîñèãíàëû. Îñíîâíûå ðàäèîòåõíè÷åñêèå ñèãíàëû è èõ ïàðàìåòðû . . . . . . . . . . . . 1.1. Êëàññèôèêàöèÿ ñèãíàëîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Ãàðìîíè÷åñêèé ñèãíàë . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. Èìïóëüñíûå ñèãíàëû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4. Ñïåêòðàëüíîå ïðåäñòàâëåíèå ñèãíàëà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5. Äèñêðåòèçàöèÿ ñèãíàëîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8 8 13 16 18 23
Ãëàâà âòîðàÿ Ðàäèîòåõíè÷åñêèå öåïè è ìåòîäû èõ èññëåäîâàíèÿ. Ëèíåéíûå ðàäèîòåõíè÷åñêèå öåïè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.1. Ðàñ÷åò öåïåé ïðè ñòàöèîíàðíûõ ðåæèìàõ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.2. Àíàëèç ïåðåõîäíûõ ïðîöåññîâ â ðàäèîòåõíè÷åñêèõ öåïÿõ . . . . 30 Ãëàâà òðåòüÿ Ýëåêòðîííûå ïðèáîðû è êîìïîíåíòû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Ýëåêòðîííûå ëàìïû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1. Ïðèíöèï äåéñòâèÿ è êîíñòðóêòèâíûå îñîáåííîñòè ýëåêòðîííûõ ëàìï . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2. Äèîä . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3. Òðèîä . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.4. Òåòðîä . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.5. Ïåíòîä . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.6. Ýëåêòðîííî-ëó÷åâàÿ òðóáêà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.7. Ýëåêòðîâàêóóìíûå ïðèáîðû, èñïîëüçóåìûå â òåëåâèçèîííûõ ïðèåìíèêàõ . . . . . . . . 3.2. Ïîëóïðîâîäíèêîâûå ïðèáîðû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1. Ýëåêòðîííî-äûðî÷íûé ïåðåõîä . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2. Ïîëóïðîâîäíèêîâûå äèîäû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3. Áèïîëÿðíûé òðàíçèñòîð . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3.1. Ñõåìà ñ îáùèì ýìèòòåðîì . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3.2. Ñõåìà ñ îáùåé áàçîé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3.3. Îñíîâíûå ïàðàìåòðû áèïîëÿðíûõ òðàíçèñòîðîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35 35 35 37 39 44 46 47 50 53 53 57 58 61 63 65
ÎÃËÀÂËÅÍÈÅ
269
3.2.3.4. Ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà òðàíçèñòîðà . . . . . . . . . . . 3.2.4. Ïîëåâûå òðàíçèñòîðû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Îïåðàöèîííûé óñèëèòåëü . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4. Æèäêîêðèñòàëëè÷åñêèå èíäèêàòîðû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ãëàâà ÷åòâåðòàÿ Èçáèðàòåëüíûå ÷åòûðåõïîëþñíèêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1. Îñíîâíûå õàðàêòåðèñòèêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Ôèëüòðû íèæíèõ ÷àñòîò . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Ôèëüòðû âåðõíèõ ÷àñòîò . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4. Ïîëîñîâûå ôèëüòðû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1. Ôèëüòðóþùèå ñâîéñòâà ïîñëåäîâàòåëüíîãî êîëåáàòåëüíîãî êîíòóðà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2. Ôèëüòðóþùèå ñâîéñòâà ïàðàëëåëüíîãî êîëåáàòåëüíîãî êîíòóðà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5. Çàãðàæäàþùèå ôèëüòðû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6. Õàðàêòåðèñòè÷åñêîå óðàâíåíèå ôèëüòðà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7. Àêòèâíûå RÑ-ôèëüòðû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.1. Çâåíüÿ ïåðâîãî ïîðÿäêà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.2. Çâåíüÿ âòîðîãî ïîðÿäêà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ãëàâà ïÿòàÿ Ýëåêòðîííûå óñèëèòåëè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1. Ïðèíöèï ðàáîòû óñèëèòåëÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Ñõåìû ñìåùåíèÿ è ñòàáèëèçàöèè ðàáî÷åé òî÷êè áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3. Öåïè ñìåùåíèÿ â êàñêàäàõ íà ïîëåâûõ òðàíçèñòîðàõ è ëàìïàõ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4. ×àñòîòíàÿ õàðàêòåðèñòèêà ðåçèñòîðíîãî óñèëèòåëüíîãî êàñêàäà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.1. Îáëàñòü âåðõíèõ ÷àñòîò . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.2. Îáëàñòü íèæíèõ è ñðåäíèõ ÷àñòîò . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5. Äèôôåðåíöèàëüíûé óñèëèòåëüíûé êàñêàä . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6. Óñèëèòåëè ìîùíîñòè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6.1. Îäíîòàêòíûé òðàíñôîðìàòîðíûé êàñêàä . . . . . . . . . . 5.6.1.1. Ýíåðãåòè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè êàñêàäà, ðàáîòàþùåãî â ðåæèìå À . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6.2. Äâóõòàêòíûé óñèëèòåëü. Ïðèíöèï ðàáîòû è îñíîâíûå ñâîéñòâà òðàíñôîðìàòîðíîãî óñèëèòåëÿ . . 5.6.2.1. Ýíåðãåòè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè äâóõòàêòíîãî êàñêàäà â ðåæèìå B . . . . . . . . . . . 5.6.3. Äâóõòàêòíûå êàñêàäû ñ áåñòðàíñôîðìàòîðíûì âûõîäîì . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6.3.1. Äâóõêàñêàäíûå óñèëèòåëè ñ äâóõòàêòíûì áåñòðàíñôîðìàòîðíûì âûõîäîì . . . . . . . . . . . . 5.6.4. Ýíåðãåòè÷åñêè âûñîêîýôôåêòèâíûå óñèëèòåëè . . . . 5.6.5. Óñèëèòåëè ðàäèî÷àñòîòû (ÓÐ×) . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ãëàâà øåñòàÿ Îáðàòíàÿ ñâÿçü â óñèëèòåëÿõ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1. Âèäû îáðàòíûõ ñâÿçåé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2. Âëèÿíèå ÎÑ íà îñíîâíûå õàðàêòåðèñòèêè óñèëèòåëåé . . . . . . . 6.3. Ñõåìîòåõíè÷åñêèå âàðèàíòû ââåäåíèÿ îáðàòíûõ ñâÿçåé. Ïîâòîðèòåëè íàïðÿæåíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
69 71 76 80 83 83 85 88 90 91
93 96 97 101 101 103 107 109 113 115 116 118 121 122 126 126 130 131 137 139 143 144 149 152 152 154 160
270
Í. Á. ÄÎÃÀÄÈÍ. ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ
Ãëàâà ñåäüìàÿ Ýëåêòðîííûå àâòîãåíåðàòîðû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1. Ãåíåðàòîðû ãàðìîíè÷åñêèõ êîëåáàíèé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.1. Óñëîâèÿ ñàìîâîçáóæäåíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.2. Ðåæèìû ðàáîòû àâòîãåíåðàòîðà . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.3. Ìÿãêèé è æåñòêèé ðåæèìû ñàìîâîçáóæäåíèÿ . . . . . 7.1.4. Ãåíåðàòîð ãàðìîíè÷åñêèõ êîëåáàíèé ñ òðàíñôîðìàòîðíîé îáðàòíîé ñâÿçüþ . . . . . . . . . . . . . 7.1.5. Òðåõòî÷å÷íûé ãåíåðàòîð ãàðìîíè÷åñêèõ êîëåáàíèé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.6. RC-ãåíåðàòîðû ãàðìîíè÷åñêèõ êîëåáàíèé . . . . . . . . . 7.2. Èìïóëüñíûå ãåíåðàòîðû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.1. Âðåìÿçàäàþùèå RC-öåïè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.2. Àâòîêîëåáàòåëüíûå ìóëüòèâèáðàòîðû . . . . . . . . . . . . . 7.2.3. Âðåìåííû´å õàðàêòåðèñòèêè ãåíåðèðóåìîãî êîëåáàíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.4. Áëîêèíã-ãåíåðàòîð . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.5. Ãåíåðàòîðû ëèíåéíî èçìåíÿþùåãîñÿ íàïðÿæåíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ãëàâà âîñüìàÿ Êàíàë ñâÿçè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1. Õàðàêòåðèñòèêè êàíàëà ñâÿçè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2. Ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà ðàäèîñâÿçè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3. Ïðåîáðàçîâàíèå ñïåêòðîâ ñèãíàëîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.1. Ìîäóëÿöèÿ ñèãíàëîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.1.1. Àìïëèòóäíî-ìîäóëèðîâàííûå ñèãíàëû . . . . . . 8.3.1.2. ×àñòîòíî-ìîäóëèðîâàííûå ñèãíàëû . . . . . . . . . 8.3.1.3. Äðóãèå âèäû ìîäóëÿöèè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.2. Ïðåîáðàçîâàíèå ÷àñòîòû ñèãíàëà . . . . . . . . . . . . . . . . .
163 163 163 167 172 173 176 179 183 184 188 192 196 201 204 204 206 209 209 210 213 216 218
Ãëàâà äåâÿòàÿ Ðàäèîïðèåìíûå óñòðîéñòâà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1. Òåõíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè è êëàññèôèêàöèÿ ðàäèîïðèåìíûõ óñòðîéñòâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2. Äåòåêòèðîâàíèå àìïëèòóäíî-ìîäóëèðîâàííûõ ñèãíàëîâ . . . . . 9.3. Äåòåêòèðîâàíèå ÷àñòîòíî-ìîäóëèðîâàííûõ ñèãíàëîâ . . . . . . . .
221 225 230
Ãëàâà äåñÿòàÿ Òåëåâèäåíèå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1. Ñâîéñòâà ãëàçà è èõ èñïîëüçîâàíèå â òåëåâèäåíèè . . . . . . . . . . 10.2. Òåëåâèçèîííûé âèäåîñèãíàë è åãî ñîñòàâëÿþùèå . . . . . . . . . . . 10.3. Òåëåâèçèîííûé ðàäèîñèãíàë . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4. Ïðèíöèïû ïîñòðîåíèÿ ñèñòåì öâåòíîãî òåëåâèäåíèÿ . . . . . . . . 10.5. Âåùàòåëüíûå ñèñòåìû öâåòíîãî òåëåâèäåíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.1. Ñèñòåìà öâåòíîãî òåëåâèäåíèÿ NTSC . . . . . . . . . . . . . 10.5.2. Ñèñòåìà öâåòíîãî òåëåâèäåíèÿ SECAM . . . . . . . . . . . 10.5.3. Ñèñòåìà öâåòíîãî òåëåâèäåíèÿ PAL . . . . . . . . . . . . . . . 10.6. Öèôðîâîå òåëåâèäåíèå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
236 237 241 248 250 253 253 256 259 263
221
Ñïèñîê ëèòåðàòóðû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
Íèêîëàé Áîðèñîâè÷ ÄÎÃÀÄÈÍ
ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÎÒÅÕÍÈÊÈ Ó×ÅÁÍÎÅ ÏÎÑÎÁÈÅ
Ãåíåðàëüíûé äèðåêòîð À. Ë. Êíîï Äèðåêòîð èçäàòåëüñòâà Î. Â. Ñìèðíîâà Õóäîæåñòâåííûé ðåäàêòîð Ñ. Þ. Ìàëàõîâ Ðåäàêòîð Í. Ì. Áàñêàêîâà Êîððåêòîð È. À. Êîðîòêîâà, Ð. Â. Ëîáîäèíà Ïîäãîòîâêà èëëþñòðàöèé Â. Â. Âîñêðåñåíñêàÿ Âûïóñêàþùèå Í. Ê. Áåëÿêîâà, Î. Â. Øèëêîâà ËÐ ¹ 065466 îò 21.10.97 Ãèãèåíè÷åñêèé ñåðòèôèêàò 78.01.07.953.Ï.004173.04.07 îò 26.04.2007 ã., âûäàí ÖÃÑÝÍ â ÑÏá Èçäàòåëüñòâî «ËÀÍÜ»
[email protected] www.lanbook.com 192029, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã, Îáùåñòâåííûé ïåð., 5. Òåë./ôàêñ: (812)567-29-35, 567-05-97, 567-92-72;
[email protected] Ñäàíî â íàáîð 25.01.07. Ïîäïèñàíî â ïå÷àòü 20.09.07. Áóìàãà îôñåòíàÿ. Ãàðíèòóðà Îáûêíîâåííàÿ. Ôîðìàò 84´108 1/32. Ïå÷àòü îôñåòíàÿ. Óñë. ï. ë. 14,28. Òèðàæ 2000 ýêç. Çàêàç ¹ 165. Îòïå÷àòàíî ñ ãîòîâûõ äèàïîçèòèâîâ â ÎÎÎ «Ïåðâàÿ òèïîãðàôèÿ». 195237, ã. Ñàíêò-Ïåòåðáóðã, óë. Ðóñòàâåëè, ä. 13.
