Паразитный резонанс дросселя ДМ-0.1 и почему в сеточных цепях ВЧ усилителей применяют резисторы

Когда начинающий радиолюбитель первый раз берётся за схему лампового ВЧ усилителя и видит в цепи управляющей сетки скромный резистор на несколько десятков ом, реакция почти всегда одинаковая. Зачем там резистор? Дроссель же лучше - он не вносит потерь по переменному току, не создаёт падения напряжения сигнала, выглядит "правильнее" с точки зрения схемотехники. Этот аргумент кажется убедительным ровно до тех пор, пока схема не начинает самовозбуждаться на неожиданной частоте или давать провалы в усилении там, где их быть не должно. Тогда приходит понимание, что дроссель - это не просто индуктивность, а полноценный колебательный контур со своим характером.

Что такое дроссель ДМ-0.1 с точки зрения физики

Дроссель ДМ-0.1 - советский высокочастотный малогабаритный дроссель с ферритовым сердечником. Линейка ДМ-0.1 охватывает индуктивности от 1 до 500 мкГн при максимальном токе 0,1 А, добротность элементов составляет от 25 до 100 единиц, а рабочий диапазон ограничен 35 МГц. Всё это выглядит весьма достойно для элемента, призванного подавлять ВЧ токи в цепях питания или обеспечивать высокоомный путь для постоянного тока смещения.

Но у каждого реального дросселя, кроме основного параметра - индуктивности, есть целый букет паразитных свойств. Кроме собственной индуктивности L, в дросселе присутствует паразитная индуктивность рассеяния, активное сопротивление обмоточного провода и межвитковая ёмкость обмотки. Межвитковая ёмкость совместно с индуктивностью образует колебательный контур с характерной частотой резонанса.

Вот здесь и начинается самое интересное. На частотах много ниже частоты собственного резонанса импеданс катушки индуктивный. При частотах вблизи резонанса импеданс в основном активный и большой по модулю. На частотах много выше частоты собственного резонанса импеданс становится ёмкостным. Дроссель, перешагнувший свой резонанс, ведёт себя как конденсатор - именно то, что нужно было не допустить.

Для дросселя ДМ-0.1 с типичной индуктивностью 100-500 мкГн частота параллельного резонанса с учётом межвитковой ёмкости и монтажной ёмкости схемы может оказаться в диапазоне от единиц до нескольких десятков мегагерц. Добавим сюда ёмкость монтажа, ёмкость ламповой сетки, ёмкость разделительного конденсатора - и резонансная частота системы сдвигается совершенно непредсказуемо. Именно в этот диапазон нередко попадают рабочие частоты КВ усилителей.

Что происходит в сеточной цепи при паразитном резонансе

Управляющая сетка лампы - точка с высоким входным сопротивлением. По постоянному току сетка практически изолирована от катода, токи через неё ничтожно малы. Именно поэтому в цепи сетки исторически тянуло поставить дроссель вместо резистора: ведь резистор создаёт падение напряжения сигнала и снижает коэффициент передачи.

Когда вместо резистора в цепи сетки стоит дроссель ДМ-0.1, он вместе с входной ёмкостью лампы и монтажной ёмкостью образует параллельный колебательный контур. Резонансная частота собственно дросселя зависит от его индуктивности и собственной ёмкости, и для нормальной работы обязана всегда быть выше, чем самая верхняя рабочая частота, включая гармоники. На практике это условие выполняется далеко не всегда - особенно если дроссель выбран из соображений "что было на складе", а не из расчёта.

Представим конкретную ситуацию. Усилитель работает на частоте 14 МГц. Дроссель ДМ-0.1 с индуктивностью 100 мкГн имеет собственную межвитковую ёмкость порядка 5-10 пФ - типичная величина для такой конструкции с ферритовым сердечником. Параллельный резонанс дросселя в этом случае оказывается в районе 5-15 МГц. Плюс входная ёмкость лампы ещё несколько пикофарад, плюс монтаж - и резонанс оказывается прямо на рабочей частоте или опасно близко к ней.

Вблизи частоты своего параллельного резонанса дроссель представляет собой огромное активное сопротивление, которое полностью нарушает работу цепи смещения и разрывает нормальный путь для ВЧ-сигнала. Выше этой частоты дроссель становится ёмкостным элементом и начинает пропускать сигнал туда, куда не должен. Оба эффекта одинаково разрушительны для нормальной работы каскада.

Самовозбуждение как главное следствие индуктивной нагрузки в сетке

Паразитный резонанс в сеточной цепи сам по себе неприятен. Но есть последствие ещё хуже - самовозбуждение усилителя на частоте этого резонанса. Здесь работает простая и неумолимая логика. Лампа обладает проходной ёмкостью между анодом и управляющей сеткой. На высоких частотах эта ёмкость образует путь для обратной передачи сигнала с анода на вход. Если нагрузка сеточной цепи на определённой частоте носит реактивный характер - а дроссель вблизи резонанса именно таков - фазовый сдвиг в петле обратной связи может стать таким, что выполняется условие самовозбуждения.

Антипаразитный резистор включается последовательно с первой сеткой лампы и снижает вероятность самовозбуждения каскада на высоких частотах. Это стандартная практика, зафиксированная в технической литературе и повторяющаяся из схемы в схему. Для предотвращения самовозбуждения усилителя в управляющую сетку включается низкоомный антипаразитный резистор, а сетка остаётся на корпусе по ВЧ через блокировочный конденсатор в режиме приёма.

Резистор в сеточной цепи действует как демпфер. Его сопротивление в цепи, где формируется петля паразитного контура, вносит активные потери, которые не дают амплитуде колебаний нарастать. Чем выше добротность паразитного резонанса - тем опаснее этот резонанс и тем важнее наличие демпфирующего резистора. Дроссель же с хорошей добротностью, наоборот, создаёт условия для раскачки паразитных колебаний. Получается замкнутый круг: чем лучше дроссель как таковой, тем хуже он ведёт себя в роли элемента сеточной цепи.

Почему резистор не вносит тех потерь которых принято бояться

Бытует мнение, что резистор в цепи сетки непременно "съест" часть сигнала. Разберёмся, насколько это критично на практике. Резистор в цепи сетки образует делитель напряжения вместе с огромным входным сопротивлением самой лампы. Поскольку сопротивление сетки лампы составляет сотни килоом, а антипаразитный резистор всего 47-150 Ом, падение напряжения на нём стремится к нулю - потери сигнала в этом делителе составляют буквально тысячные доли от единицы. Выходное сопротивление предшествующего каскада просто прибавляется к номиналу антипаразитного резистора в верхнем плече делителя, практически не меняя картины.

Дроссель же, как было показано, вблизи своего параллельного резонанса может либо практически разорвать цепь сигнала из-за огромного импеданса, либо после резонанса стать ёмкостным элементом и создать совершенно непредсказуемые пути для тока. Потери от дросселя в худшем случае - полная потеря работоспособности каскада и самовозбуждение. Потери от правильно выбранного резистора - ноль целых несколько десятых децибела. Выбор очевиден.

Практические соображения при выборе номинала и типа резистора

Резистор в сеточной цепи ВЧ усилителя должен быть непроволочным. Проволочные и спиральные резисторы по сравнению с непроволочными гораздо менее высокочастотны - применение их без специальных мер ограничивается областью постоянного тока и диапазоном звуковых частот, поскольку они фактически являются катушками индуктивности. Угольные или металлоплёночные резисторы типа МЛТ или С2-33 ведут себя как почти чистое активное сопротивление вплоть до сотен мегагерц - то, что и требуется.

Номинал антипаразитного резистора выбирается из компромисса между эффективностью демпфирования и потерями сигнала. В усилителях КВ диапазона типичный номинал составляет 47-150 Ом для ламп с относительно малой входной ёмкостью и 27-100 Ом для более мощных ламп с ёмкостью сетки в десятки пикофарад. В усилителях на диапазоны выше 50 МГц резистор нередко ставится прямо у выводов лампы, на расстоянии буквально в сантиметр от ножки цоколя - иначе собственная индуктивность вывода уже создаёт проблемы.

Расположение резистора в монтаже не менее важно, чем его номинал. Длинный вывод от резистора до сетки лампы создаёт собственную индуктивность - несколько наногенри на сантиметр провода. На частотах выше 30 МГц это уже ощутимый реактивный элемент. Поэтому резистор монтируют максимально близко к выводу сетки, а соединения выполняют короткими и жёсткими проводниками.

Стоит также помнить о том, что при простреле лампы - пробое между анодом и сеткой - резистор принимает на себя почти полное анодное напряжение. При нормальной работе постоянный ток сетки намного меньше анодного, и на антипаразитном резисторе рассеивается небольшая мощность. Однако при простреле защитные резисторы в сетках выгорают в пыль. Поэтому в ответственных конструкциях ставят резисторы с запасом по мощности или несколько резисторов последовательно.

Идея поставить вместо резистора дроссель в сеточную цепь ВЧ усилителя понятна и по-своему логична. Но она игнорирует то, что любой дроссель - это не просто индуктивность, а система с резонансом, который норовит попасть именно туда, куда не следует. Дроссель ДМ-0.1 с ферритовым сердечником и несколькими десятками витков обмотки несёт в себе частоту параллельного резонанса, которую не вычислить без измерений и которая меняется от экземпляра к экземпляру. Резистор лишён всех этих неприятностей. Он просто сопротивляется - надёжно, предсказуемо и на любой частоте одинаково. Именно это и требуется от элемента, стоящего на входе усилителя.