Радиоинженер, проектирующий широкополосный видеоусилитель на лампах, рано или поздно упирается в одну и ту же стену. Поднимаешь сопротивление анодной нагрузки, чтобы получить больше усиления, - и полоса тут же сужается. Снижаешь нагрузку ради полосы - усиление проседает пропорционально. Произведение "усиление умножить на полосу" ведёт себя как жёстко зашитая константа, и обойти её обычным подбором режима нельзя, потому что упирается всё в собственную ёмкость лампы. Распределённый усилитель, известный ещё как усилитель с распределённым усилением, решает эту задачу иначе: ёмкости нескольких ламп 6Ж9П включаются не параллельно друг другу, а звеньями искусственной линии передачи, и тогда каждая новая лампа добавляет к общему усилению свой вклад, почти не трогая полосу пропускания. Для полосы 100 мегагерц эта схема на шести пентодах 6Ж9П даёт результат, который одна лампа в принципе выдать не способна, и ниже разобрано, за счёт какого именно физического механизма это происходит и как рассчитываются оба звена линии.
Почему один каскад на лампе 6Ж9П не может одновременно дать высокое усиление и полосу 100 мегагерц
Пентод 6Ж9П паспортно имеет крутизну характеристики 17,5 мА/В при разбросе плюс-минус 3,5 мА/В, входную ёмкость около 8,5 пФ и выходную ёмкость порядка 3,5 пФ. Внутреннее сопротивление лампы составляет около 150 кОм, что для высокочастотного каскада можно считать почти бесконечным и в расчёт не брать. В обычном резистивном каскаде усиление равно произведению крутизны на сопротивление анодной нагрузки, а верхняя граница полосы задаётся постоянной времени этой же нагрузки и суммарной ёмкости на аноде, куда входит выходная ёмкость лампы, входная ёмкость следующего каскада и ёмкость монтажа. Если следующий каскад собран на такой же лампе 6Ж9П, к выходной ёмкости 3,5 пФ и полутора пикофарадам монтажа добавляются ещё 8,5 пФ входной ёмкости соседней лампы, и суммарная ёмкость на аноде получается около 13,5 пФ.
Если задать верхнюю границу полосы ровно в 100 мегагерц, сопротивление нагрузки не может превышать значения, которое находится из формулы R равно единице делить на два пи умножить на частоту среза умножить на ёмкость. Подстановка чисел даёт около 118 Ом. Умножив это сопротивление на крутизну 17,5 мА/В, получаем усиление всего около 2,1 раза, то есть примерно 6,3 дБ. Это и есть потолок для одной лампы 6Ж9П на этой полосе при работе на вход такой же следующей лампы, причём потолок не зависит от того, насколько удачно подобран режим или насколько аккуратно разведена плата. Он задан отношением крутизны к суммарной ёмкости, и это отношение для конкретной лампы и конкретной нагрузки фиксировано технологией изготовления обеих ламп. Хочется 20 или 25 дБ на тех же 100 мегагерцах - придётся либо смириться с более узкой полосой, либо перестать бороться с ёмкостью лампы и найти способ включить её в работу схемы, а не считать паразитным элементом.
Как индуктивности превращают входную и выходную ёмкость пентода в звенья искусственной линии передачи
Идея, которую в тридцатых годах прошлого века предложил Персиваль, а затем довели до практических формул Гинзтон, Хьюлетт, Ясберг и Ноу, звучит просто: раз ёмкость лампы всё равно никуда не девается, нужно сделать её частью фильтра нижних частот, а не бороться с ней резистором. Берём цепочку из последовательных катушек индуктивности и параллельных ёмкостей - получается классический искусственный отрезок линии передачи типа "постоянная k", у которого есть частота среза, равная единице делить на пи умножить на корень из произведения индуктивности на ёмкость звена, и характеристическое сопротивление, равное корню из отношения индуктивности к ёмкости.
Если в качестве параллельной ёмкости каждого звена такой линии использовать не отдельный конденсатор, а входную ёмкость очередной лампы 6Ж9П, эта ёмкость перестаёт быть врагом полосы и становится рабочим элементом фильтра. То же самое проделывается на выходе: выходная ёмкость каждой лампы становится звеном второй, анодной линии. В итоге получаются две независимые искусственные линии, сеточная и анодная, а каждая лампа своей сеткой подключена к очередному узлу первой линии, а анодом - к очередному узлу второй. Сигнал подаётся на вход сеточной линии и бежит по ней волной от лампы к лампе, а каждая лампа, реагируя на пришедшую к её сетке волну, впрыскивает ток в свой узел анодной линии. Ключевое отличие от обычного параллельного включения ламп в том, что частота среза линии зависит от ёмкости одного звена, а не от их суммы, поэтому добавление шестой лампы не сужает полосу так, как это происходило бы при простом параллельном соединении шести анодов на одном резисторе.
Расчёт сеточной и анодной линии задержки для шести ламп 6Ж9П под полосу 100 мегагерц
Для запаса по плоскости амплитудно-частотной характеристики частоту среза обеих линий обычно берут выше рабочей полосы процентов на двадцать-тридцать, поэтому для рабочих 100 мегагерц разумно закладывать частоту среза около 130 мегагерц. Ёмкость звена сеточной линии складывается из входной ёмкости лампы 8,5 пФ и ёмкости монтажа, для короткой пальчиковой панельки это ещё около 1,5 пФ, итого 10 пФ на звено. Индуктивность звена сеточной линии находится из формулы частоты среза, и подстановка чисел даёт значение около 0,6 микрогенри, а характеристическое сопротивление сеточной линии при этом получается около 245 Ом.
С анодной линией сложнее, потому что выходная ёмкость 6Ж9П меньше входной. Взяв тот же запас на монтаж, получаем ёмкость звена анодной линии около 5 пФ. Чтобы волна в анодной линии двигалась с той же задержкой на звено, что и волна в сеточной линии, - а без этого условия токи от разных ламп придут на выход не в фазе и станут гасить друг друга вместо сложения, - произведение индуктивности на ёмкость анодного звена должно совпадать с тем же произведением для сеточного звена. Отсюда индуктивность анодного звена получается около 1,2 микрогенри, а характеристическое сопротивление анодной линии около 490 Ом. Проверка по формуле частоты среза для этих чисел снова даёт около 130 мегагерц, значит, обе линии согласованы между собой корректно.
Здесь стоит явно выделить три условия, при одновременном выполнении которых схема вообще работает так, как задумано:
- частоты среза сеточной и анодной линии равны друг другу и превышают верхнюю границу рабочей полосы с запасом на неравномерность;
- задержка сигнала на одно звено одинакова в обеих линиях, чтобы волны, идущие по сетке и по аноду, оставались синхронными от лампы к лампе;
- дальний конец сеточной линии и ближний к входу конец анодной линии нагружены резисторами, равными характеристическим сопротивлениям соответствующих линий, иначе отражённые волны создадут неравномерность и паразитные выбросы на переходной характеристике.
Почему усиление шести пентодов складывается в линии почти арифметически, а не теряется в ёмкостях
Механика сложения такая. Волна входного сигнала бежит по сеточной линии от первой лампы к шестой с той самой задержкой на звено, которая была заложена в расчёт. Каждая лампа, когда волна доходит до её сетки, впрыскивает в свой узел анодной линии ток, пропорциональный крутизне и мгновенному значению пришедшего сигнала. Этот впрыснутый ток расходится в анодной линии в обе стороны: часть уходит к выходу усилителя, часть - назад, к его входу. Поскольку задержка на звено в анодной линии равна задержке на звено в сеточной линии, составляющие тока, идущие к выходу от всех шести ламп, оказываются в одной фазе и складываются практически арифметически, будто шесть ламп работают не по очереди, а разом в одной точке. Составляющие, ушедшие назад, в фазу друг с другом не попадают и просто гасятся на входном согласующем резисторе анодной линии, отчего в формуле усиления и появляется множитель одна вторая.
Итоговое усиление распределённого каскада считается как произведение числа ламп на крутизну и на корень из произведения характеристических сопротивлений обеих линий, поделённое на два. Подставив шесть ламп, крутизну 17,5 мА/В и посчитанные выше 245 Ом и 490 Ом, получаем усиление около 18,2 раза, или примерно 25,2 дБ, причём полоса при этом остаётся заданной частотой среза линий, то есть теми же 130 мегагерцами с запасом под рабочие 100. Для сравнения, одна лампа на той же полосе, нагруженная на вход такой же следующей лампы, давала не больше 6,3 дБ, а простое каскадирование нескольких обычных резистивных каскадов ради того же усиления в 25 дБ сузило бы итоговую полосу в несколько раз из-за того, что частоты среза отдельных каскадов при последовательном включении перемножаются не линейно, а по корню из числа звеньев. Здесь же полоса определяется одной-единственной частотой среза линии и не зависит от того, шесть ламп в ней стоит или десять.
Согласующие резисторы на концах линий и потеря половины анодного тока ради чистого сигнала
Резистор на дальнем конце сеточной линии нужен потому, что большая часть энергии волны доходит до последнего звена, но не вся. На постоянном токе сетка лампы действительно не потребляет заметного тока, однако на частотах порядка сотни мегагерц время пролёта электронов от катода до сетки становится сравнимо с периодом сигнала, и у лампы появляется собственное конечное входное сопротивление: у 6Ж9П оно падает до нескольких килоом уже на 60 мегагерцах и продолжает снижаться дальше по частоте. Эта реальная нагрузка на каждой сетке понемногу забирает энергию волны, бегущей по линии, и без резистора на дальнем конце остаток этой энергии всё равно отразится назад и, складываясь со свежим сигналом, идущим от входа, создаст на амплитудно-частотной характеристике неравномерность и звон на фронтах импульса. Резистор на входном конце анодной линии решает похожую задачу для той половины анодного тока каждой лампы, которая бежит не к выходу, а обратно ко входу линии: без поглощающего резистора эта энергия тоже отразится и добавит паразитную составляющую к полезному сигналу.
Расчётные 245 Ом и 490 Ом верны для идеальных индуктивностей без потерь, а в реальных катушках на 100 мегагерцах добротность конечна, и провод, намотанный на маленьком каркасе, вносит собственное активное сопротивление и небольшую паразитную ёмкость между витками. На практике это снижает расчётное усиление на десять-двадцать процентов и слегка сдвигает частоту среза, поэтому согласующие резисторы в готовой конструкции обычно не впаивают намертво, а подбирают подстроечными, добиваясь по осциллографу минимального выброса на переднем фронте прямоугольного импульса. Такая подстройка компенсирует и разброс входной ёмкости самих ламп 6Ж9П, который по паспорту достигает плюс-минус одного пикофарада на лампу, а при шести лампах в линии складывается уже в заметную неравномерность, если её не выровнять экспериментально.
Где применялись подобные усилители и что реально ограничивает число ламп в линии
Схему с сеточной и анодной линией задержки на высокочастотных пентодах ставили в широкополосных усилителях вертикального отклонения осциллографов и в видеотрактах импульсной аппаратуры, где требовалось одновременно приличное усиление и полоса, достаточная для передачи фронтов наносекундного порядка без завала. Обычный резистивный каскад с таким сочетанием параметров просто не справлялся, а распределённая схема на нескольких лампах 6Ж9П благодаря низкой входной и выходной ёмкости этого пентода позволяла держать частоту среза линии высокой при разумных значениях индуктивности звеньев.
Число ламп в линии на практике не наращивают бесконечно, и причина не в формуле усиления, которая формально растёт линейно с числом звеньев, а в реальных потерях сеточной линии. Главный источник этих потерь - не столько провод катушек, сколько сама сетка каждой лампы: её конечное входное сопротивление на высокой частоте понемногу забирает энергию бегущей волны, и до шестой или восьмой лампы доходит уже заметно меньше сигнала, чем досталось первой. Вклад каждой следующей лампы в итоговое усиление оттого чуть меньше, чем предсказывает идеальная формула, и после шестой-десятой лампы прирост усиления от добавления ещё одной становится настолько малым, что не оправдывает усложнение конструкции и рост числа катушек, которые нужно намотать и подстроить с высокой повторяемостью. Есть и второй практический предел: на частотах порядка сотни мегагерц собственная ёмкость монтажа между соседними звеньями линии становится сравнима с ёмкостью самой лампы, и без короткого, продуманного расположения деталей частота среза линии начинает плыть непредсказуемо, сводя на нет всю точность расчёта. Именно поэтому распределённый усилитель на 6Ж9П считался задачей высокого класса: формулы для него простые, а вот аккуратно воплотить их в металле и стекле удавалось далеко не с первой попытки.