Войти
Коротковолновый усилитель с лампой GU-78B A вентильный ВЧ усилитель (UK и Aus. ) или ламповый усилитель (US ), представляет собой устройство для электрического усиления мощности электрического радиочастотного сигнала.
Клапан малой и средней мощности усилители для частот ниже микроволн были в значительной степени заменены твердотельными усилителями в течение 1960-х и 1970-х годов, первоначально для приемников и каскадов малой мощности передатчиков, а несколько позже выходных каскадов передатчиков переключили на транзисторы. Специально сконструированные клапаны до сих пор используются для очень мощных передатчиков, хотя редко в новых конструкциях.
Клапаны представляют собой устройства высокого напряжения / низкого тока по сравнению с транзисторами. Тетродные и пентодные клапаны имеют очень плоскую анодную зависимость тока от анодного напряжения, что указывает на высокое выходное сопротивление анода полное сопротивление. Триоды показывают более сильную взаимосвязь между анодным напряжением и анодным током.
Высокое рабочее напряжение делает их хорошо подходящими для радиопередатчиков, а клапаны по-прежнему используются сегодня для очень мощных коротковолновых радиопередатчиков, где твердотельные технологии потребуют параллельного подключения множества устройств очень высокие токи питания постоянного тока. Твердотельные передатчики большой мощности также требуют сложных сетей объединения и настройки, тогда как передатчик на основе вентилей будет использовать одну относительно простую настроенную сеть. Таким образом, хотя технически возможны полупроводниковые высокопроизводительные коротковолновые передатчики, по экономическим соображениям все же предпочтительны клапаны с частотой выше 3 МГц и мощностью 10 000 Вт. Любители также используют ламповые усилители мощностью 500-1500 Вт в основном из экономических соображений.
Аудиоусилители Valve обычно усиливают весь звуковой диапазон между 20 Гц и 20 кГц или выше. В них используется трансформатор с железным сердечником, чтобы обеспечить подходящую нагрузку с высоким сопротивлением для клапана (ов) во время управления динамиком, которое обычно составляет 8 Ом. В аудиоусилителях обычно используется один вентиль класса A или пара в классе B или классе AB.
ВЧ усилитель мощности настроен на одну частоту как можно ниже. от 18 кГц и до диапазона частот UHF для радиопередачи или промышленного обогрева. Они используют узкую настроенную схему, чтобы обеспечить клапан с подходящим высоким сопротивлением нагрузки и питать нагрузку, которая обычно составляет 50 или 75 Ом. РЧ-усилители обычно работают класса C или класса AB.
. Хотя диапазоны частот для усилителей звука и РЧ-усилителей перекрываются, класс работы, метод выходной связи и процентная рабочая полоса пропускания будут отличаться. Силовые клапаны способны работать на высоких частотах, по крайней мере, до 30 МГц. Действительно, во многих аудиоусилителях с односторонним нагревателем на триодах (DH-SET) используются радиопередающие клапаны, изначально разработанные для работы в качестве ВЧ-усилителей в высокочастотном диапазоне.
Самые эффективные ВЧ усилители на основе ламп работают Класс C. Если он используется без настроенной схемы на выходе, это исказит входной сигнал, создавая гармоники. Однако усилители класса C обычно используют выходную цепь с высокой добротностью, которая удаляет гармоники, оставляя неискаженную синусоидальную волну, идентичную форме входной волны. Класс C подходит только для усиления сигналов с постоянной амплитудой, таких как FM, FSK, и некоторых сигналов CW (код Морзе ). Если амплитуда входного сигнала усилителя изменяется, например, при однополосной модуляции, амплитудной модуляции, видео и сложных цифровых сигналах, усилитель должен работать с классом A или AB, чтобы сохранить огибающая управляющего сигнала в неискаженном виде. Такие усилители упоминаются как линейные усилители.
Линейные усилители PEP мощностью 20 кВт, используемые коротковолновой радиостанцией HCJB как в SSB, так и в DRM вещании. Также принято изменять усиление усилитель рабочего класса C, чтобы производить амплитудную модуляцию. Если сделать это линейно, то этот модулированный усилитель обладает низким уровнем искажений. Выходной сигнал можно рассматривать как произведение входного радиочастотного сигнала и модулирующего сигнала.
Развитие ЧМ-радиовещания повысило точность воспроизведения за счет использования большей полосы пропускания, которая была доступна в диапазоне УКВ, и где атмосферный шум отсутствовал. FM также обладает способностью подавлять шум, который в основном модулирован по амплитуде. Клапанная технология имеет высокочастотные ограничения из-за времени прохождения катода по аноду. Однако тетроды успешно используются в диапазоне ОВЧ, а триоды - в диапазоне низких ГГц. Современные передатчики FM-вещания используют как клапанные, так и твердотельные устройства, при этом клапаны, как правило, чаще используются на самых высоких уровнях мощности. FM-передатчики работают с классом C с очень низким уровнем искажений.
Современное «цифровое» радио, которое передает закодированные данные с различными фазовыми модуляциями (такими как GMSK, QPSK и т. Д.), А также растущий спрос на спектр вызвали резкие изменения в способах использования радио, например концепция сотового радио. Сегодняшние стандарты сотовой радиосвязи и цифрового вещания чрезвычайно требовательны с точки зрения приемлемой спектральной огибающей и внеполосных излучений (в случае GSM, например, –70 дБ или лучше всего в нескольких сотнях килогерц от центральной частоты). Поэтому цифровые передатчики должны работать в линейных режимах, уделяя большое внимание достижению низких искажений.
(высокое напряжение / высокая мощность) Клапанные каскады использовались для усиления принимаемых радиочастотных сигналов, промежуточных частот, видеосигнала и аудиосигналы в различных точках приемника. Исторически (до Второй мировой войны) «передающие трубки» были одними из самых мощных доступных трубок, обычно напрямую нагревались торированными нитями, которые светились, как лампочки. Некоторые трубки были сконструированы очень прочными, их можно было приводить в движение с такой силой, что анод сам светился вишнево-красным, причем аноды были изготовлены из твердого материала (а не из тонкого листа), чтобы выдерживать это без деформации при нагревании. Известными лампами этого типа являются 845 и 211. Более поздние силовые лампы, такие как 807 и (с прямым нагревом) 813, также в большом количестве использовались в (особенно военных) радиопередатчиках.
Сегодня радиопередатчики в основном твердотельные, даже на микроволновых частотах (базовые станции сотовой радиосвязи). В зависимости от области применения, значительное количество усилителей радиочастоты по-прежнему имеют клапанную конструкцию из-за их простоты, тогда как требуется несколько выходных транзисторов со сложными схемами разделения и объединения, чтобы равняться той же величине выходной мощности одного клапана.
Схемы вентильного усилителя значительно отличаются от широкополосных полупроводниковых схем. Твердотельные устройства имеют очень низкий выходной импеданс, что позволяет согласовывать их через широкополосный трансформатор, охватывающий большой диапазон частот, например от 1,8 до 30 МГц. При работе класса C или AB они должны включать фильтры нижних частот для удаления гармоник. В то время как соответствующий фильтр нижних частот должен быть выбран переключателем для интересующего частотного диапазона, считается, что результатом является конструкция «без настройки». Клапанные усилители имеют настроенную сеть, которая служит как фильтром гармоник нижних частот, так и согласованием импеданса с выходной нагрузкой. В любом случае как полупроводниковые, так и клапанные устройства нуждаются в таких фильтрующих сетях до того, как РЧ-сигнал будет выведен на нагрузку.
В отличие от аудиоусилителей, в которых аналоговый выходной сигнал имеет ту же форму и частоту, что и входной сигнал, радиочастотные цепи могут модулировать низкочастотную информацию (аудио, видео или данные) на несущую (на гораздо более высокой частоте), а схема состоит из нескольких отдельных этапов. Например, радиопередатчик может содержать:
Наиболее распространенной анодной схемой является настроенная LC-цепь, в которой аноды подключены к узлу напряжения . известная как анодная схема резервуара.
Простая конструкция на основе тетрода с использованием настроенного входа сетки Пример этого используется на УКВ / УВЧ включают 4CX250B, примером двойного тетрода является QQV06 / 40A.
Нейтрализация - это термин, используемый в усилителях TGTP (настроенная сетка с настроенной пластиной) для методов и схем, используемых для стабилизации от нежелательных колебаний на рабочей частоте, вызванных непреднамеренным вводом части выходного сигнала обратно во вход схемы. В основном это происходит через сетку на емкость пластины, но также может происходить и по другим путям, что делает схему схемы важной. Чтобы подавить нежелательный сигнал обратной связи, часть выходного сигнала намеренно вводится во входную цепь с той же амплитудой, но с противоположной фазой.
При использовании настроенной схемы на входе сеть должна согласовывать источник возбуждения с входным сопротивлением сети. Этот импеданс будет определяться током сети при работе в классе C или AB2. При работе AB1 схема сети должна быть спроектирована так, чтобы избежать чрезмерного повышения напряжения, которое, хотя и может обеспечить большее усиление каскада, как и в аудиосистемах, увеличивает нестабильность и делает нейтрализацию более критичной.
Как и во всех трех показанных здесь базовых конструкциях, анод клапана подключен к резонансному LC-контуру, который имеет еще одну индуктивную перемычку, которая позволяет передавать РЧ-сигнал на выход. Показанная схема была в значительной степени заменена сетью Pi, которая обеспечивает более простую настройку и добавляет фильтрацию нижних частот.
Анодным током управляет электрический потенциал (напряжение) первой сети. К клапану прикладывается смещение постоянного тока, чтобы гарантировать использование той части уравнения переноса, которая наиболее подходит для требуемого применения. Входной сигнал может возмущать (изменять) потенциал сети, это, в свою очередь, изменяет ток анода (также известный как ток пластины).
В схемах RF, показанных на этой странице, настроенная цепь находится между анодом и источником высокого напряжения. Эта настроенная схема приводится в резонанс, представляя индуктивную нагрузку, которая хорошо согласована с клапаном и, таким образом, приводит к эффективной передаче мощности.
Поскольку ток, протекающий через соединение анода, контролируется сетью, то ток, протекающий через нагрузку, также контролируется сетью.
Одним из недостатков настроенной сетки по сравнению с другими радиочастотными схемами является то, что требуется нейтрализация.
Простой усилитель на основе тетрода с использованием пассивного сетевого входа Пассивная сеточная схема, используемая на частотах VHF / UHF, может использовать тетрод 4CX250B. Примером двойного тетрода может быть QQV06 / 40A. Тетрод имеет экранную сетку, которая находится между анодом и первой сеткой, которая, будучи заземленной для RF, действует как экран для уменьшения эффективной емкости между первой сеткой и анодом. Комбинация эффектов сетки экрана и резистора демпфирования сетки часто позволяет использовать эту конструкцию без нейтрализации. Экран в тетродах и пентодах значительно увеличивает коэффициент усиления клапана за счет уменьшения влияния анодного напряжения на анодный ток.
Входной сигнал подается на первую сетку клапана через конденсатор. Величина сеточного резистора определяет коэффициент усиления каскада усилителя. Чем выше резистор, тем больше коэффициент усиления, тем ниже эффект демпфирования и тем выше риск нестабильности. Для этого типа сцены хорошая планировка менее важна.
Простой конструкция на основе триода с использованием пассивного входа сетки В этой конструкции обычно используется триод, поэтому такие клапаны, как 4CX250B, не подходят для этой схемы, если экран и управляющие сетки не соединены, что эффективно превращает тетрод в триод. Эта схема использовалась на частоте 1296 МГц с дисковыми уплотнениями триод вентилями, такими как 2C39A.
Сеть заземлена, и возбуждение подается на катод через конденсатор. Питание нагревателя должно быть изолировано от катода, так как в отличие от других конструкций катод не подключен к высокочастотной земле. Некоторые клапаны, такие как 811A, предназначены для работы с нулевым смещением, и катод может иметь потенциал земли для постоянного тока. Клапаны, для которых требуется отрицательное смещение сетки, можно использовать, подав положительное постоянное напряжение на катод. Этого можно добиться, установив стабилитрон между катодом и землей или используя отдельный источник напряжения смещения.
Межэлектродная емкость клапана, которая существует между входом и выходом усилителя, и другие паразитные связи могут позволить достаточной энергии для обратной связи на вход, чтобы вызвать автоколебание в каскаде усилителя. Для проектов с более высоким коэффициентом усиления этому эффекту необходимо противодействовать. Существуют различные методы подачи сигнала не в фазе с выхода обратно на вход, чтобы эффект был отменен. Даже если обратная связь недостаточна для возникновения колебаний, она может вызвать другие эффекты, например, сложную настройку. Поэтому нейтрализация может быть полезной даже для усилителя, который не колеблется. Многие усилители с заземленной сеткой не используют нейтрализацию, но добавление 30 МГц может сгладить настройку.
Важной частью нейтрализации тетрода или пентода является конструкция схемы сетки экрана. Для обеспечения максимального эффекта экранирования экран должен быть хорошо заземлен при рабочей частоте. Многие клапаны будут иметь частоту "самонейтрализации" где-то в диапазоне УКВ. Это происходит из-за последовательного резонанса, состоящего из емкости экрана и индуктивности провода экрана, что обеспечивает путь к земле с очень низким импедансом.
Эффекты времени прохождения важны на этих частотах, поэтому обратная связь обычно не используется, и для приложений, критичных к производительности, должны использоваться альтернативные методы линеаризации, такие как вырождение и прямая связь.
Коэффициент шума обычно не является проблемой для ламп усилителя мощности, однако в приемниках с лампами это может быть важно. Хотя такое использование устарело, эта информация включена для исторического интереса.
Как любое усилительное устройство, клапаны добавляют шум к сигналу, который необходимо усилить. Однако даже в гипотетическом идеальном усилителе неизбежно присутствует шум из-за тепловых флуктуаций в источнике сигнала (обычно предполагается, что он находится при комнатной температуре, T = 295 K). Такие колебания вызывают мощность электрического шума 
Коэффициент шума определяется как отношение мощности шума на выходе усилителя к мощности шума, которое было бы на выходе, если бы усилитель был бесшумным (из-за усиление теплового шума источника сигнала). Эквивалентное определение: коэффициент шума - это коэффициент, на который включение усилителя ухудшает отношение сигнал / шум. Часто выражается в децибелах (дБ). Усилитель с коэффициентом шума 0 дБ был бы идеальным.
Шумовые свойства ламп на звуковых частотах могут быть хорошо смоделированы с помощью идеальной бесшумной лампы, имеющей источник шума напряжения последовательно с сеткой. Для лампы EF86, например, этот шум напряжения указан (см., Например, спецификации Valvo, Telefunken или Philips) как 2 микровольта, интегрированных в диапазоне частот приблизительно от 25 Гц до 10 кГц. (Это относится к интегрированному шуму, см. Ниже частотную зависимость спектральной плотности шума.) Это равняется шуму напряжения резистора 25 кОм. Таким образом, если источник сигнала имеет импеданс 25 кОм или более, шум трубки фактически меньше шума источника. Для источника 25 кОм шум, создаваемый лампой и источником, одинаков, поэтому общая мощность шума на выходе усилителя в два раза превышает мощность шума на выходе идеального усилителя. Тогда коэффициент шума составляет два или 3 дБ. Для более высоких импедансов, например 250 кОм, шум напряжения EF86 на 
Чтобы получить низкий коэффициент шума, импеданс источника можно увеличить с помощью трансформатора. В конечном итоге это ограничивается входной мощностью трубки, которая устанавливает предел того, насколько высоким может быть достигнут импеданс сигнала, если требуется определенная полоса пропускания.
Плотность напряжения шума данной лампы является функцией частоты. На частотах выше 10 кГц или около того он в основном постоянный («белый шум»). Белый шум часто выражается эквивалентным шумовым сопротивлением, которое определяется как сопротивление, которое создает такой же шум напряжения, как и на входе лампы. Для триодов это приблизительно (2-4) / г м, где g м - это коэффициент проводимости. Для пентодов он выше, примерно (5-7) / г м. Таким образом, трубки с высоким g m имеют более низкий уровень шума на высоких частотах. Например, это 300 Ом для половины ECC88, 250 Ом для E188CC (оба имеют g m = 12,5 мА / В) и всего 65 Ом для D3a с тройным соединением (g м = 40 мА / В).
В диапазоне звуковых частот (ниже 1–100 кГц) преобладает шум «1 / f», который возрастает как 1 / f. (Это причина относительно высокой шумостойкости EF86 в приведенном выше примере.) Таким образом, лампы с низким уровнем шума на высокой частоте не обязательно имеют низкий уровень шума в диапазоне звуковых частот. Для специальных звуковых трубок с низким уровнем шума частота, на которой преобладает шум 1 / f, снижена, насколько это возможно, возможно, примерно до килогерца. Его можно уменьшить, выбрав очень чистые материалы для катодного никеля и запустив трубку при оптимизированном (обычно низком) анодном токе.
На радиочастотах все обстоит сложнее: (i) Входной импеданс лампы имеет реальную составляющую, которая уменьшается как 1 / f² (из-за индуктивности катодного вывода и эффектов времени прохождения). Это означает, что входной импеданс больше не может быть увеличен произвольно для уменьшения коэффициента шума. (ii) Это входное сопротивление имеет свой собственный тепловой шум, как и любой резистор. («Температура» этого резистора для шумовых целей ближе к температуре катода, чем к комнатной температуре). Таким образом, коэффициент шума ламповых усилителей увеличивается с увеличением частоты. На частоте 200 МГц коэффициент шума 2,5 (или 4 дБ) может быть достигнут с лампой ECC2000 в оптимизированной "каскодной" схеме с оптимизированным импедансом источника. На частоте 800 МГц такие лампы, как EC8010, имеют коэффициент шума около 10 дБ и более. Планарные триоды лучше, но очень рано транзисторы достигли коэффициента шума значительно ниже, чем лампы на УВЧ. Таким образом, тюнеры телевизоров были одними из первых компонентов бытовой электроники, в которых использовались транзисторы.
Полупроводниковые усилители в значительной степени вытеснили ламповые усилители для приложений малой и средней мощности на всех частотах.
Клапаны продолжают использоваться в некоторых мощных высокочастотных усилителях, используемых для коротковолнового радиовещания, УКВ и УВЧ ТВ и (УКВ) ЧМ радио, а также в существующих «радарах, противодействующем оборудовании или оборудовании связи. «с использованием специально разработанных вентилей, таких как клистрон, гиротрон, лампа бегущей волны и усилитель со скрещенными полями ; однако новые конструкции для таких продуктов теперь неизменно основаны на полупроводниках.
