Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Полонников Д.Е. Электронные усилители автоматических компенсаторов

.pdf
Скачиваний:
11
Добавлен:
29.10.2023
Размер:
9.9 Mб
Скачать

V

198 ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА ВЫСОКОЧУВСТВИТ. УСИЛИТЕЛЕЙ [гл. VI

Кроме того, Cg > Сл, поэтому при анализе схемы можно считать, что входная емкость каскада Сл включена парал­

лельно С3. Обозначим С3 +

СЛ= СШ.

 

 

 

Определим

коэффициент

преобразования входного

устрой­

ства

по

схеме рис. 82. Пусть в стационарном

режиме

f/go — напряжение на

конденсаторе

Cg перед переключением

контакта

вниз,

£/в0— напряжение

на

конденсаторе

Св-}-Сш

в тот

же

момент времени. После переключения

среднего

контакта

вниз

CJg0

не

изменится,

a

UB0

примет

значение

Uзо г

^ п

(вследствие

отключения

от

Св емкости Сш и

подключения Ск). В этом положении (процесс разрядки Cg) напряжения изменяются следу­ ющим образом:

 

 

 

 

_

t_

 

 

 

 

U

=

U е

те

 

 

 

&в.р — ^воТк

 

 

 

 

 

 

— ^воТкХ1— е

Ч

 

где

Tg=

CgRg, Тк =

Сд j_“Gk.

t

Ts =

(CB+ CK) R n.

 

 

 

Рис. 83. Изменение напряжений

Учитывая неравенства

(6.1),

на конденсаторе С „ (а), на кон­

(6 .2 ), можно

считать, что

на­

денсаторе б в (б).

пряжения

на конденсаторах

Св

 

и Cg меняются в течение полу-

периодов по прямой (рис. 83),

т. е. учитывать только первые

два члена разложения экспонент

в степенной ряд,

тогда

 

 

 

 

 

 

(6-3)

и а.Р ** ^воТк+

( £

- с/воТ.) г

 

(6 -4)

Перед переключением контакта вверх напряжения примут значения

и ЁР = u ^ { l ~ w : ) ^в.р = f/воТ* + ( В - f/воТк) 2^- •

При переключении вверх Ug не изменится, a UB вследствие

§

18]

З'СТРОЙСТВА С КОНТАКТНЫМ ВИБРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ

199

отключения

Ск и подключения Сш примет значение

 

 

 

=

 

[ ^ воТк +

 

~

^оТк)

с в + Сш=

 

 

 

 

 

 

^воТкТш~1~

 

^воТк) 2 Т Тш >

 

 

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тш— Св + сш

 

 

 

 

В

верхнем

положении контакта

(процесс зарядки Cg)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

(6-5)

 

 

 

 

 

u b^

u b, - a [ \ - ^2 ,

 

 

(6 .6 )

где величина

А

может

 

быть

определена

из

условия,

что

при t =

О

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С'в.З

^вОТкТш ~f~

 

 

^В„Тк) 2 7'

Тш

^вО

 

 

откуда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

^

=

f/B0 J 1

ТЛш^1

27^)]

-^ Т ш ^ -

 

Таким образом,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

^в.з =

^ во —

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

^/в 0 {[Х

ТГкТш(

1

27^)_]

27^"} ( 1

7 ^) •

 

[j

и UgQ можно

найти

из

условий,

что

в

стационарном

режиме

заряды,

получаемые

конденсаторами

Св и Cg за пе­

риод, равны нулю,

т. е.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f &.S +

 

iBfP) dt +

 

Ск Т к £ / в0 + Со, (£/в„ -

А) = о,

(6 .8 )

где /вд — Ток через конденсатор Св в верхнем положении контакта (зарядка Cg), 1Вшр — ток через конденсатор Ср в

200 входные устройства высокочувствит. Усилителей [гл. vi

нижнем положении контакта (разрядка Cg), CK~(KUB0 — заряд, теряемый Сп на зарядку Ск при переключении контакта вниз,

Сш (£/во — А) — заряд, теряемый

Св на зарядку Сш

при

пере­

ключении

контакта

вверх,

ig3,

igp — соответственно

токи

зарядки и разрядки

Cg.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из

рассмотрения

схемы

рис. 82 видно, что

 

 

 

 

 

.

_____.

__. ______ г .

 

/J ______ |____1 \

Ug з

 

Rb>

 

 

 

вл“

 

г°— U™ \Rg Г RJ

Rg

 

 

I

----

---- E

UB.p

-

---- L/д.э

 

Ugp

.

__

__

Ugp

 

B-P“

 

RB

1S3—

 

 

Rg

 

> 4гр—

 

R g -

 

Подставляя

значения гп-3, /n.p,

ig3,

igp,

а также

£/B.p)

Utt,3,

Ugp, Ug3, А в уравнения

(6 .8 ),

(6.9)

и производя

интегриро­

вание, приходим к следующей системе:

 

 

 

 

 

и °« { ( 4 +

к ) [ т ■ + Т ТкТш ('1 -

 

2УВ) j

+

Й ( 1 -

4ГВ) +

 

+

2/„СшТшТк (:1 -

щ ) +

 

2/оСЛк} -

Usa

(1 -

 

=

=£{|[1- ^ (1+^]+4 Тш^-% г}'(6Л0)

 

^во [ y +

y ТЛ т ( 1 — 2 ^ ) ] — 2 f/g0( 1 — ^

)

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= - £ Тш^ . (6 .1 1 )

Найдя

отсюда

f/ B0

и Ug 0

и

подставив

их в

формулы

(6.3).

(6.4), (6.5), (6 .6 ), получим выражения Ugp, UBp,

Ug3,

и вл.

Зная

напряжения

на

Cg и Св,

нетрудно

найти

выходное

напряжение UBbnp,

соответствующее

разрядке

Cg, и выход­

ное напряжение

£/ВЬ1Х-3,

соответствующее зарядке

Cg:

 

 

 

 

 

 

^вы х.з^В .З

 

^g3>

 

 

(6 .1 2 )

 

 

 

 

 

^ в ы * . р =

- ^

р .

 

 

 

 

( 6 . 1 3 )

Активная составляющая

первой

гармоники

на выходе

 

 

 

те

 

 

 

 

 

 

 

2я

 

 

 

 

 

 

ai =

j

и яыхл sin atd x — -i- j

 

£/BHX.p sin * rf* =

 

 

 

 

О

 

 

 

 

 

 

 

те

 

 

 

 

 

 

 

n

( f / B . 3

^ 3

^ g p ) s i n

djc.

(6.14)

иг*

1 8 ] УСТРОЙСТВА С КОНТАКТНЫМ ВИБРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ 2 0 1

Реактивная составляющая первой гармоники на выходе

 

 

те

 

2те

 

Ь \ ---- —

^ &вых.з

^

^ ^ вы х .р COS X d x ----

 

 

те

 

 

 

=

\

^ (^в.з — и 8ъ+

Usv) cos JC dx.

(6.15)

 

 

о

 

 

 

Подставив

Ugp, Ug3,

Una из

формул (6.3), (6.5),

(6 .6 ) в

(6.14) и проинтегрировав, найдем активную составляющую первой гармоники выходного напряжения

(6.16)

где

Р = ______ Е_

2 DRaRg (

+0 — ТкТш )^] + ^ вТш[(1 4 _4ТкТш) 4 ^ +

+ 2/оТк (Ск +

СшТш) R g f^ —

R g] J ,

(6.17)

<3 = ----------^ ------ п

х

 

 

2 DRaRg ( l - £ g)

 

 

 

X {— 4Rg [(1 — ТкТш) — (2Тш+ 3ТкТш — 3) щ щ ] +

+ ^вТш[(2 Тк— О 27^ 4" 2 /оТк(Ск +

Сштш) Rgf^-\~

 

 

+ ^ (

1 - ТкТш) R g]},

(6.18)

0 = 4 [ - 5 - + ,Jr ( 1- 2 T . ) ] +

+Ыт+ь(1- Й +ьН 1 - Й 1- <вЛ9>

Поскольку при выполнении неравенств (6.1), (6.2) реактивная составляющая весьма мала, можно считать, что коэффициент преобразования схемы рис. 82 определяется отношением а ^Е

* . = 4 = 5 ( р - И -

<6 -20>

2 0 2 ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА ВЬ1СОКОЧУВСТВИТ. УСИЛИТЕЛЕЙ [гл . Vi

Учитывая,

что

ТВ^> Т 0

и

ТЯ^ Т

0, в выражениях для Р, Q

и D можно

в ряде

случаев

пренебречь

также членами

Т

Т

. Тогда,

подставив

значения Р, Q и D

в (6.20), полу-

j S ,

1 g

1 в

 

 

 

 

 

 

 

 

чим:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/ У

 

 

 

 

 

+

Т к Т ш ) _______________ ______________/0

o n

 

 

^ в[1+7кТш+ 8 /оТкк+ С штш)/?,.]+ 2 ^ (1 + 2 Тк+7кТшГ

}

На практике в большинстве случаев емкости СЕ и Сш много

меньше

Св,

 

поэтому

приближенно

можно считать,

что

Тк = Тш =

1 •

При таком допущении

коэффициент

преобразо­

вания

примет

вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

К

п

71

 

 

___________ .

( 6.22)

 

 

 

Рв 11+4/aRg (Ск+

Сш)]

4Rg

 

 

При

^ ^ 0 , 1 ;

^ = ^ 0 ,1 ;

^ ^ 0 , 1 ;

^—^ 0 ,1

формула (6.22),

 

i в

 

 

*g

 

'-'В

 

 

 

 

 

как установлено экспериментально, дает

погрешность

не

более

20° / о .

что для

практических

целей обычно достаточно.

Как видно из (6.22), для увеличения передаточного коэф­

фициента

необходимо

увеличивать

R g

и

уменьшать

Ск и

Сш=

Сл-|-С 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определим величину входного сопротивления:

 

 

 

 

 

 

Кд __ р

^

_______ 2R£ (l -Ь^Тк +

ТкТш)______

 

(6.23)

 

 

 

дКп

“^ 1

+ 7кТш + 8/оТк(Ск +

СшТш) Re

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

№ в

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если принять Тк=

Тш= 1

(т. е.

СВ> С К и СВ> С Ш),

полу­

чим более

простое выражение для RBX

 

 

 

 

 

 

 

RBp

 

_______ 4Rg_______

 

__ 1________

 

(6.24)

 

 

1 + 4/ 0 (Ск-ф Сш) R„

 

/о (Ск +

Сш)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Как видно из (6.24),

входное

сопротивление

состоит

из

двух

параллельно

 

включенных

 

сопротивлений

ARe

и

У " in

1

г

\ • Такой

результат можно

было

ожидать

на осно-

1

То (^к Т

(-'иц

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

§ 1 8 ] УСТРОЙСТВА С КОНТАКТНЫМ ВИБРОПРЕОБРАЗОВЛТЕЛЕМ 2 0 3

вании чисто физических соображений. Выше было показано, что без учета Ск и Сш среднее входное сопротивление равно 4R g. Емкости Ск и Сш в течение каждого периода заряжаются входным напряжением и полностью разряжаются. Это приводит к протеканию дополнительного тока, средняя величина которого за период равна

 

 

 

 

^ вх =

^ в х ( ^ к Н ~ С ш ) / о -

 

 

 

 

 

Таким

образом,

наличие

Ск и Сш эквивалентно

дополни­

тельному

 

сопротивлению

параллельно

входу,

 

равному

 

 

f • Очевидно, как бы ни было велико R

входное

сопротивление не может

быть больше

величины тп -

, п

,

, ,

поэтому

 

 

 

 

 

 

 

(О'К “г

 

о

его дальнейшее увеличение может быть осуществлено

только

за

счет

уменьшения Ск-(-Сш. Обычно

 

величина

CK+ Cm

 

имеет порядок

50-ч-100ддб

и только

при

соот­

ветствующей конструкции

вибропреобразователя

ее

удается

снизить

до

10 пф.

Это

означает, что

при

использовании

в

качестве входного устройства обычного контактного преобра­

зователя

входное сопротивление

не превышает 500 Мом, а

в случае

специально выполненной

конструкции — 2000 Мом.

Как будет показано ниже, имеется возможность создать

усилитель с отрицательной входной емкостью,

компенсирую­

щей

Ск-]-Сш

практически до нуля и тем

самым резко

повысить входное

сопротивление.

 

Отметим, что

работа вибропреобразователя

в схеме 6

табл. 4 с перекрытием контактов при высокоомном входе

явно не рациональна. При замыкании всех трех

контактов

каждые полпериода конденсатор С„

будет

полностью разря­

жаться,

что

приведет

к уменьшению

среднего

входного

со­

противления

до

величины

; * —. Поскольку Св

Сш, вход-

 

 

 

 

 

 

4 / о С 'в

 

 

чем в случае

ное сопротивление оказывается

много меньше,

работы

без

перекрытия.

 

 

 

 

 

 

 

Динамические

и избирательные свойства

рассматриваемой

схемы определяются

главным

образом входной

постоянной

времени

7~ВХ^ С В-

п

п

, которая

при больших R 3 и R BX

' °

в*

 

. .

-

- /лв ~Г ^ВХ.

 

 

-

 

 

может . достигать. нескольких

секунд. -Для улучшения

ди­

намических •

свойств

 

следует

уменьшать . величину -

Св.

204 ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА ВЫСОКОЧУВСТВИТ. УСИЛИТЕЛЕЙ [гл. VI

На рис. 84 приведены осциллограммы переходного процесса (£/Ных) при включении (а) и выключении (б) постоянного

напряжения (£)

на входе для

параметров схемы (рис. 82):

R B—

1,5 • 109 ол(,

jR„ =

1 09 оис,

Св — 400пф, С„ = 200пф,

Ст=

Ю пф.

 

 

 

I

—*---------------------- 7 ш -----------------------—

 

 

 

 

 

7

Мвых

 

 

 

 

...... * в & Ш

Ш

 

£

а)

П е к

£

8)

Рис. 84. Изменение выходного напряжения при включении (а) и выключении (б) входного сигнала.

Рассмотрим вопрос предельной чувствительности, дости­ жимой с входным устройством, использующим контактный вибропреобразователь. Ограничение чувствительности связано с минимально достижимым уровнем помех, вызванных навод­ ками, дрейфом нуля и флюктуационными шумами. Остано­ вимся вначале на ограничениях, связанных с шумами, кото­ рые определяют теоретический предел чувствительности. Средний квадрат напряжения шума, приведенного к сетке

§ 1 8 ]

УСТРОЙСТВА С КОНТАКТНЫМ ВИБРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ 2 0 5

первой

лампы, может быть выражен следующей формулой

(см. §

1 2 ):

^= тw f 4Ar J1K{f ) i2^ /+

о

оо

+ 2eIg ^ \ K ( f ) \ ‘i \Zg \'*df+

 

+ 4kT J

| К if) |2

Rmad f + аф J

{ K ( f f ) l 3

 

d f \

(6.25)

 

 

 

о

 

 

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

где первый член определяет термошумы

во

входной цепи;

второй — шумы,

вызванные

дробовым

эффектом

сеточного

тока входной

лампы; третий — шумы,

связанные

с

дробовым

эффектом

анодного тока; четвертый — шумы фликкер-эффекта

катода,

| К ( /0) | — модуль

коэффициента усиления

усилителя,

/о — несущая частота,

k — постоянная

Больцмана,

Т — абсо­

лютная

температура

входной

цепи,

Rmg — активная со­

ставляющая сопротивления сеточной цепи,

е — заряд

элек­

трона,

Ig — сеточный

ток

первой лампы,

 

| Zg | — модуль

сопротивления

в цепи

сетки,

R ma— эквивалентное сопротив­

ление

шумов

первой

лампы, аф— постоянная

фликкер-эф­

фекта,

приблизительно

равная

1 0 - 1 3

[в2]

(для

оксидного

катода).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Будем считать, что усилитель обладает идеальной прямо­

угольной амплитудно-частотной характеристикой, т. е.

коэф­

фициент

усиления

К (/) = К ( / й)

в полосе

Д /

и

равен

нулю

вне полосы; тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fo +

Ц -

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и Ь =

J

{ U T R n g + Z e lg l Z ^ + M T R ^ + J j d f .

(6.26)

Найдем

сначала величину шумов входной цепи,

т.

е. термо­

шумы и шумы

дробового

эффекта сеточного тока. Квадрат

модуля

сопротивления

сеточной цепи (рис. 85)

равен

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ^

1 +

(<»RsCg,y

 

2 0 6

ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА ВЫСОКОЧУВСТВИТ. УСИЛИТЕЛЕЙ [гл. VI

Активная составляющая Z„ равна

 

 

 

 

 

Ru

 

Re

 

 

 

 

 

1+(»Д*Сг.)» ’

 

 

 

 

 

 

 

где

Cga— эквивалентная

емкость

в цепи

сетки, которая

изменяется во времени:

 

 

 

 

при

замыкании

якоря

с нижним контактом

 

 

 

 

 

 

С„

 

 

 

 

при

перелете

контакта

 

 

 

 

 

 

/~> __

СеСш

>с„

 

 

 

 

 

 

Са+ С в

 

так

как

Cm<^Cg,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при замыкании

с

верхним

контактом

 

 

 

р

__

С/т(Св -f~ Сш)

С/гСв

 

 

 

ss

Cg-\-CB-\-Cm

Cg-\-CB

 

Вследствие изменения

Cga во времени происходит модуля­

ция

шумов и через усилитель

проходит ряд дополнительных

 

 

 

 

 

 

F(t,a>)

ГМ

 

 

 

 

 

 

 

 

|—*-

 

 

 

 

 

 

т

 

 

 

 

 

 

 

 

_L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Л .

 

Рис.

85.

Входная цепь

с кон-

Рис.

86. Изменение функции F (t, ш)

тактным

преобразователем при

 

во времени,

 

высокоомном входе.

 

 

 

 

компонентов шума, лежащих за пределами полосы пропускания.

Введем следующие

обозначения (рис. 8 6 ):

F K 0 =

1

 

у 1 + («RgCg^y

 

_______ 1

 

V l+ ^ R g C g f

 

1

^ „ н =

у l +(°>RgCm)>

§ 1 8 j

УСТРОЙСТВА

С КОНТАКТНЫМ ВИБРОЛРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ 2 0 7

тогда

компонент

шума, соответствующий частоте

ш входной

цепи, может быть выражен следующим

образом:

 

 

dUmto — Y

4 £ 7 T ? |()f +

1 9 /,)

d f X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Х Р ( У > ,

Osin

(urf +

<p).

(6.27)

Разложим F ( a), t)

в ряд

Фурье:

 

 

 

 

 

 

 

 

F

(Ш, t) =

[1 (Fc +

F

6) + ( 2

F „

-

F c -

F 6) 5 ] +

 

 

 

 

 

 

C O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

1 ( F

C - F

6)

2

(~ 1 Г

C°S Ъ п +

Р

*

cos (2w+

!)

+

 

 

 

 

 

w= 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C O

 

 

 

 

 

 

 

 

+

1

(2 F H- F c -

F 6) ^

( -

 

 

cos 2м V ,

(6.28)

 

 

 

 

 

 

m=l

 

 

 

 

 

 

 

 

где

S =

 

,

Д/пл — время

перелета

контакта,

ш0 — несу­

щая частота (т. е. частота преобразования). Подставив (6.28) в (6.27) и выполнив тригонометрические преобразования, получим:

d U mu> =

~ j / ~

Т R g2

+ 19 fg 'j d f jjy ( F £

f F 6) -f-

 

+

(2P«— F , —

Sjsin (a>< +

<p)+

 

+

2

( - И”

c“ g f + |l)rt [Sln [(2m +

1) „,f+

 

m=fi

 

 

 

 

 

 

—|—(at —j—tp] —j—sin [ (at — (2 tn —j—1 ) (a§t —j—<p]] —|—

+

2FM- F C- F 6

 

m sin 2 //ITC&r

, ,л

» I

 

 

m—1

2 m— fSin (2 wu)otJ T

 

 

 

 

 

 

 

~j—

—(—cp) —j—sin ((at ■

2 /иш0/ -j- <p)] |

(6.29)

Таким образом, каждый компонент шума на входе дает це­ лый спектр частот, в который, кроме частоты ш, входят сум­ мы и разности частоты со с щ и ее гармониками. Отсюда ясно, что если даже компонент шума с частотой со лежит за пределами полосы пропускания усилителя, он может дать

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ