Широкополосный вход РА с общим катодом

Введение

Тетроды, работающие в схеме с ОК без токов первой сетки обычно имеют большую входную емкость. Несколько несколько десятков (а то и больше сотни) pF.

Из-за этого возникает проблема согласования и раскачки входа. Если на низкочастотных КВ диапазонах достаточно резистора 50 Ом параллельного по ВЧ первой сетке, то на уже на 21 MHz КСВ по входу растет до ~2, а уровень возбуждения падает. На 21 ... 28 MHZ и тем более на 50 MHz необходимо принимать меры против вредного шунтирующего действия входной емкости лампы

Хорошее решение этой проблемы состоит в применении чёбышевского ФНЧ 5-го порядка, в котором входная емкость лампы включается вместо среднего конденсатора большой емкости. Решение это хорошее, но не идеальное. Его недостатки:

  1. Расчетный КСВ в полосе достигает 1,2 ... 1,3. А при практической реализации из-за влияния паразитных индуктивностей монтажа (а они будут обязательно лампа имеет немаленькие размеры) КСВ на высокочастотном краю полосы может оказаться выше. И если на 28 MHz его удается загнать в рамки 1,2 ... 1,3, то на 50 MHz он может подняться до 1,6. Это, хотя и переносимо (особенно если трансивер имеет встроенный автотюнер) но многовато, чтобы считать согласование идеальным.

  2. Подстроечных элементов только два: катушки растягиваются и сжимаются. Этого недостаточно чтобы точно скомпенсировать влияние паразитных элементов монтажа. На высокочастотном краю (28 и 50 MHz) остается небольшая отраженная волна.

  3. Неравномерность АЧХ в полосе достигает 2,5 dB. И если подъем на ВЧ скорее плюс, чем недостаток, то некоторый провал в середине полосы – не признак совершенства.

  4. Максимальная компенсируемая таким способом емкость в полосе до 50 МГц составляет 105 pF, чего не всегда достаточно (см. следующий параграф).

Постановка задачи

Небольшие недостатки, указанные выше, связаны с тем, что ФНЧ Чёбышева родился как фильтр. У него не было задачи компенсировать и согласовывать. Он придуман для фильтрации. А здесь она нам совершенно не нужна. Мы используем побочные свойства ФНЧ для согласования и компенсации. А заметная неравномерность АЧХ является следствием того, что чёбышевские фильтры принципиально имеют волнообразную АЧХ.

Поэтому попробуем не ФНЧ, а специализированную цепь согласования. Но перед тем как перейти к такой цепи, определимся с величиной емкости, которую надо компенсировать.

Часто путают емкость между первой сеткой и катодом Сск и входную емкость Свх каскада с общим катодом. Но последняя больше и определятся по формуле:

Свх = Сск + Спр(1 + Ku)

где:

Спр – проходная емкость лампы;

Ku – коэффициент усиления по напряжению от первой сетки к катоду. Если лампа работает без токов первой сетки, то Ku примерно равен отношению постоянного анодного напряжения к смещению первой сетки. Для большинства РА Ku находится в пределах 40...60.

Прикинем, что получается для распространенных ламп:

Добавив 5 pF на монтажную емкость панельки, получим, что надо компенсировать емкости в пределах 80 ... 135 pF.

Цепь согласования

Просто ФНЧ нам не очень подходит. Но АЧХ (от входа до сетки лампы) у ФНЧ можно сделать хорошей. Проблема в том, что при этом КСВ по входу ФНЧ может быть довольно высоким и неравномерным. Особенно у высокочастотного края.

Если АЧХ нас устраивает, а согласование на ВЧ не очень, то очевидным решением является подключить параллельно ФНЧ (между входом и балластным резистором 50 Ом) небольшой конденсатор. Через который балластный резистор будет подключаться ко входу на высокочастотном краю полосы. И, соответственно, улучшать там КСВ.

Цепь согласования, обеспечивающая отличное согласование до 50 MHz, показана на рис.1.


Рис. 1.

Формально эта цепь состоит из Т-образного ФНЧ третьего порядка (две катушки по 145 nH и конденсатор 105 pF в середине – входная емкость лампы), нагруженного на балластного резистор 50 Ом. ФНЧ зашунтирован конденсатором емкостью около 27 pF, включенным параллельно катушкам между входом ФНЧ и балластным резистором.

Но кроме основных элементов на рисунке 1 также показаны подстроечные и паразитные элементы.

Один подстроечный конденсатор включен параллельно лампе. Другой – между входом и балластным резистором.

Катушки на рис. 1 от 10 nH и меньше это паразитные индуктивности монтажа (на 50 MHz их необходимо учитывать). Катушка 2 nH изображает индуктивность сеточного вывода. Катушки по 10 nH изображают индуктивности длинных выводов конденсаторов (параллельно включенного постоянного 18 pF и подстроечного - он на рис 1. 9,65 pF). Эти выводы не могут быть очень короткими, т.к. основные катушки по 145 nH должны быть перпендикулярны (для исключения паразитной магнитной связи) поэтому их концы будут разнесены как минимум на 10 ... 20 мм.

Такая скрупулезность в учете паразитных индуктивностей понадобилась потому, что мы будем пытаться обеспечить точное согласование.

Отраженная волна (S11) по входу и АЧХ (S21) цепи по рис.1. показаны на рис.2 (линейный масштаб).


Рис. 2.

А на рис.3 для сравнения даны такие же графики ФНЧ Чёбышева 5 порядка из предыдущей статьи при компенсации в той же самой полосе той же самой емкости 105 pF:


Рис. 3.

На первый взгляд особой разницы нет. Ну АЧХ(синий график) нашей цепи на рис. 2 более равномерная. Ну отраженная волна (красный график) раза в два поменьше. Вроде бы разница не особая.

Но есть нюанс. Посмотрите на рисунках 2 и 3 пределы графиков S11. Они выделены на обоих рисунках синей подсветкой в левом верхнем углу каждого из скриншотов. Увидели? Предел графика S11 на рис. 3 это единица, а на рис. 2 всего 0,1. Поэтому отраженная волна на рис. 2 меньше, чем на рис. 3 не в два раза, а в двадцать раз. Пересчитывая на КСВ получаем, что во всей полосе до 50 MHz КСВ < 1,01 (!). Согласование практически идеальное.

АЧХ до 14 MHz ровная, потом начинает медленно расти достигая + 0,9 dB на 28 MHz и + 0,6 dB на 50 MHz, т.е. неравномерность меньше 1 dB.

 

Параметры отличные. Но что делать если входная емксоть не 105 pF как, на рис.1? Её надо определить.

Для этого на выключенном РА следует измерить емкость между первой сеткой (при этом она должна быть полностью отключена от всех цепей, кроме измерителя) и корпусом. Мы получим сумму Сск и монтажной емкости панельки. К ней надо прибавить Спр(1 + Ku). Для упомянутых выше ламп это 4...12 pF. Полученная цифра и будет входной емкостью.

Затем для своей емкости выбираем соответствующий ей файл. Вот файлы в формате RFSim99 для входных емкостей от 80 до 135 pF:  80 pF,  85 pF,  90 pF,  95 pF,  100 pF,  105 pF,  110 pF,  115 pF,  120 pF,  125 pF,  130 pF,  135 pF.

Начиная от емкости 120 pF появляется завал АЧХ на 50 MHz. От 0,95 при 120 pF до 0,7 при 135 pF. Если емкость больше 120 pF, то раскачку на 50 MHz придется соответственно увеличивать.

Конструктив и настройка

Чтобы реализовать такие высокие параметры, придется потрудится и с конструктивным выполнением и с настройкой. 50 MHz это уже УКВ, соответственно требования к монтажу должны быть как на УКВ: предельно короткие выводы, балластный резистор с низким КСВ на 50 MHz.

Для исключения паразитной магнитной связи катушки должны быть перпендикулярны. Их средняя точка непосредственно подключена к выводу сетки на панели лампы. С этого вывода на корпус ставится подстроечный конденсатор 4/20 pF.

Балластный резистор 50 Ом должен стоять близко ко входу. Между этим резистором и входом включаются два параллельно соединенных конденсатора: подстроечный 4/20 pF и постоянный параллельный. Номинал последнего определяется так:

  1. Открываем файл, соответствующий вашей входной емкости.

  2. Смотрим на свой конструктив и прикидываем, какой длины получаются выводы у искомого конденсатора.

  3. В файле модели меняем величину обеих катушек по 10 nH на свою. Из расчета 1 nH на каждые 1,5 мм длины получающегося вывода конденсатора.

  4. Подстраивая (точно с шагом в доли pF) в модели емкость этого конденсатора добиваемся хорошего согласования (в случае заметного отличия ваших паразитных индуктивностей от 10 nH может понадобиться подстроить и параллельный лампе конденсатор).

  5. Получившуюся суммарную емкость обоих параллельных конденсаторов разбиваем так, чтобы одна была из номинального ряда (это и будет наш постоянный параллельный конденсатор),а вторая в около середины диапазона подстроечного конденсатора 4 – 20 pF.

Потренировашись, вы на экране научитесь методике настройки: при правильной индуктивности основных катушек фильтра, параллельный сетке подстроечный конденсатор устанавливает минимум КСВ на 28 MHz, а параллельный – на 50 MHz. Настройка непроста и требует тщательности.

Полная принципиальная схема (с цепями смещения и развязки) широкополосной входной цепи показана на рис. 4.


Рис. 4.

Физическая настройка собранной цепи делается на полностью выключенном РА так:

  1. Дополнительно к нашей собранной цепи между выводом сетки и корпусом ставится временный постоянный конденсатор 5 pF (изображающий динамическую емкость Спр(1 + Ku) при работе РА).

  2. Ко входу цепи подключаем измеритель импедансов или трансивер с КСВ-метром.

  3. Вращая подстроечный конденсатор, параллельный лампе добиваемся минимума КСВ на 28 MHz.

  4. Вращая подстроечный конденсатор, параллельный катушкам добиваемся минимума КСВ на 50 MHz.

  5. Циклически повторяем два последних пункта до точного согласования во всей полосе.

  6. Если точное согласование на 28 и 50 MHz не выходит, немного меняем индуктивность основных катушек (растягивая их или сжимая) и повторяем пунты 3 – 5.

  7. Достигнув точного согласования, убираем временный конденсатор 5 pF. Вход РА готов к работе.

Настройка непроста, но результаты впечатляют.

На рис. 5 показан измеренный анализатором SARK-110 график КСВ от частоты входа выключенного РА на лампе ГУ-43Б (измеренная емкость ~100 pF между сеткой и корпусом) с временным дополнительным конденсатором 5 пФ (имитирующим динамическую емксоть при работе).


Рис. 5.

Измеренный КСВ ниже 28 MHz 1,01, а на 50 MHz 1,03 (вторая и третья строка на рис. 5 это позиции маркеров: их частоты и соответсвующие им КСВ).

После удаления временного конденсатора 5 pF при нормальной работе РА КСВ-метр трансивера показывает один "кубик" (т.е. минимально возможное показание) во всех диапазонах от 1,8 до 50 MHz.

Применение до 30 MHz

Описанное решение можно применить и в КВ РА до 30 MHz. Запас схемы можно превратить либо в очень низкий КСВ, либо в компенсацию очень большой емкости.

Ниже показан пример согласования входа лампы ГУ78Б в полосе до 30 MHz. Входная емкость такого каскада около 150 pF ( Сск = 120+20 pF, Спр = 0,25pF, nогда Свх = 135+22,5 pF).

Схема показана на рис. 6, файл модели.


Рис. 6.

КСВ ниже 30 MHz почти неотличим от 1.


Рис. 7.

02.01.2021

На главную - Main page