Содержание

Дифференциальный усилитель или пара с катодной связью в качестве фазоинвертора

Большая часть классических схем фазоинверторов основывается на использовании схем дифференциального усилителя и, для улучшения их параметров была проявлена недюжинная изобретательность разработчиков.

Идеальную дифференциальную пару усилителя образуют два усилительных прибора (каждый из них имеет свое нагрузочное сопротивление), включенных таким образом, чтобы позволять току сигнала перераспределяться между нагрузочными сопротивлениями без каких бы то ни было потерь. Работа дифференциального каскада была подробно рассмотрена. Утечка тока сигнала с катода на землю значительно снижает эффективность такого усилителя, поэтому величина сопротивления общего резистора в цепи питания дифференциального усилителя является критичной и, в идеале, должна приближаться к бесконечности.

Схемотехническое решение R_k >> R_L

Работа дифференциального усилителя может быть оптимизирована применением либо пентода, либо каскодной схемы для стабилизации (поддержания неизменяемого значения) тока (рис. 7.16). Величина сопротивления общего резистора питания пентода EF184 может достигать значения, превышающего 10 МОм, и даже более мощные пентоды, например, EL83, могут обеспечивать без дополнительных усложнений сопротивление порядка 1 МОм. Эффективность работы на низких частотах может быть улучшена введением дополнительного транзистора с целью создания гибридного каскада, однако всегда будет существовать ограничение по высоким частотам со стороны конденсатора в C_kh в катодной цепи дифференциального усилителя (см. рис. 7.16), даже в том случае, если стабилизация является идеальной.

Итак, еще раз обратимся к подробному анализ работы дифференциального усилителя. При соблюдении приближения, что R_k ≈ ∞, баланс на выходе будет наблюдаться при условии, если равны нагрузочные сопротивления обоих плеч R_L1 = R_L2. Выходное сопротивление для обоих выходов также должно быть идентичным и как ранее, составлять величину, определяемую параллельным включением резисторов: r_out = r_a || R_L.

Таким образом, нагрузкой дифференциального фазоинвертора во всех случаях будет каскад, который ни при каких условиях не выходит за рамки режима работы класса А1.

Однако если нагружен только один выход, то величина выходного сопротивления определяется выражением:

Рис. 7.16 Дифференциальный усилитель, использующая триодный элемент стабилизации тока в качестве фазовращателя

Схемотехническое компенсированное решение R_k ≈ R_L

Можно было бы принять как данное, что простым способом невозможно обеспечить высокое значения сопротивления общего резистора цепи питания, и не следовало даже пытаться сделать это. Вместо этого в качестве общего резистора цепи питания можно использовать резисторы со стандартными значениями от 22 до 82 кОм, рассчитать возникающую при этом ошибку и попытаться скомпенсировать ее. Такой подход известен как фазоинвертор с катодной связью или фазовращатель Шмитта (Schmitt) (рис. 7.17).

Лампу V₂ (правую) в этой схеме можно рассматривать как усилитель с заземленной сеткой, питающийся от катодной цепи лампы V₁ (левой). Это является случаем использования первой электронной лампы в качестве катодного повторителя для питания второй электронной лампы, что приводит к очевидному падению коэффициента усиления второй лампы, так как для катодного повторителя усиление по напряжению А_v < 1. При анализе работы видно, что для возбуждения каскада требуется значение напряжения, равное удвоенному напряжению сетка-катод 2υ_gk , следовательно, усиление составного каскада на каждом из выходов будет составлять половину того значения, которое можно было бы ожидать от каждой отдельной лампы.

Если выходы сбалансированы, то напряжения в анодных цепях обеих ламп равны (V₁ = V₂) и тогда:

Рис. 7.17 Фазовращатель с катодной связью

Если А₂ является усилением лампы V₂, то катодное напряжение

Ток сигнала, протекающий в катодном резисторе, является несбалансированным выходным током сигнала:

Напряжение выходного сигнала на лампе V₂ должно определяться выражением:

После раскрытия скобок и группирования подобных членов выражение примет вид:

После выполнения замены i₁R₁ = i₂R₂ и приведения подобных членов выражение примет вид:

Данное выражение показывает, что даже если ни усиление, ни величина сопротивления общего резистора цепи питания не являются бесконечного большими величинами, подбором соотношения анодных нагрузок можно добиться выполнения условия баланса. Следует отметить, что величина А₂ является индивидуальным, без нагрузки, значением усиления по напряжению лампы V₂, а не коэффициентом усилением всего каскада.

В качестве примера исследовались характеристики фазоинвертора и входного каскада усилителя Leak TL12+. В нем используется лампа ЕСС81. Для лампы V₂ зафиксировано усиление, равное 42 (коэффициент усиления μ = 53, анодное сопротивление r_а = 26,5 кОм). Значение сопротивления резистора R₁ для полученных параметров должно составить 91 кОм, что полностью совпало со значением резистора, использованного в усилителе Leak TL12+ (рис. 7.18).

Рис. 7.18 Фазоинвертор с катодной связью, используемый в усилителе Leak TLI2+

Выходное сопротивление у каждой половины каскада будет несколько отличаться по своему значению, так как они включены параллельно с несколько отличающимися по величинам анодными нагрузками, но исправление этого недостатка с целью сохранить ВЧ баланс сместит баланс на низких частотах. Единственным способом решения проблемы является включение резистора сеточного смещения в качестве анодной нагрузки при расчете необходимых изменений в схеме.

Сопротивления соответствующих сеточных резисторов смещения равны 470 кОм. В соответствии с этим значение резистора R_L2 при параллельном включении резисторов 100 и 470 кОм определяется, как R_L2 = 100 || 470 (кОм) = 82,46 кОм. При этом значение усиления лампы V₂ снижается до 40. Необходимое значение сопротивления общей нагрузки для лампы V₁, (учитывая резистор сеточного смещения с номиналом 470 кОм) составит 75,7 кОм, а значение R_L2 будет равно 90,2 кОм.

Баланс на низких частотах определяется постоянной времени цепи, образованной развязывающим конденсатором сетки и последовательно включенным с ним резистором, так как отдельно он не в состоянии поддерживать на очень низких частотах потенциал сетки лампы V₂ относительно земли по переменному току.

В противовес попыткам хоть как-то решить проблему с использованием резистора, расчет значения которого во многом определяется параметрами самой лампы, автор является сторонником введения в схему каскада элементов стабилизации тока катода, чтобы установить требуемый баланс для каскада.

Схемотехническое решение R_k << R_L, глубокая обратная связь

Кроме рассмотренных выше способов достижения баланса в фазоинверсном каскаде на основе дифференциальной пары, существует еще возможность введения сильной глубокой обратной связи, влияющей на эквивалентные сопротивления каскада. Схема дифференциального фазоинверсного каскада с глубокой отрицательной обратной связью получила название плавающий парафазный фазорасщепитель или инвертирующий фазовращатель. Как правило, в таких схемах используются лампы, обладающие высоким значением усиления μ, например, ЕСС83. Пример принципиальной схемы такого фазоинвертора приведен на рис. 7.19.

Рис. 7.19 Плавающий парафазный фазорасщепитель или инвертирующий фазовращатель (воспроизводится благодаря любезному разрешению фирмы Philips Components Ltd)

Если несколько перечертить эту схему в другой вид, то становится видно, что лампа V₂ представляет просто инвертор, коэффициент усиления которого равен единице, и усиление которого определяется резисторами R₁ и R ₂(рис. 7.20).

Рис. 7.20 Плавающий парафазный фазовращатель (схема видоизменена с целью выделить инвертор)

Так как усиление с разомкнутой петлей обратной связи лампы V₂ не равно бесконечно большой величине, эти элементы требую подстройки, чтобы обеспечить усиление, равное —1. К сожалению, проведение необходимых расчетов весьма усложняются тем, что величина резистора R₂ влияет на величину нагрузки каскада, а также на значение усиления с разомкнутой петлей обратной связи каскада. Для лампы V₂ также требуется использовать понижающий (балластный) резистор для того, чтобы уравновесить ее выходное сопротивление, которое было значительно уменьшено действием отрицательной обратной связи. После введения указанной коррекции, баланс такого фазоинвертора оказываются очень хорошим, так как режим работы лампы V₂ стабилизируется отрицательной обратной связью.

На первом этапе анализа работы такой схемы проводится линия статической нагрузки, которая соответствует анодной нагрузке 220 кОм. Рабочая точка Мэллорда (Milliard) соответствует анодному напряжению V_a = 163 В. Резистор обратной связи с сопротивлением 1 МОм включен параллельно, поэтому можно провести статическую линию нагрузки через рабочую точку, соответствующую сопротивлению 180 кОм. Отсюда следует, что усиление лампы равно 67.

Далее необходимо определить значение параметра β, которое обеспечит требуемое значение усиления, равное единице. Из выражения:

следует, что искомое значение β составляет 0,985. Самый простой способ достичь необходимого результата — это увеличить величину резистора обратной связи:

Расчет дает значение сопротивления, равное 1015 кОм, следовательно, можно добавить резистор 15 кОм, включенный последовательно с имеющимся 1 МОм. До этого момента была выявлена погрешность, составляющая 1,5%, и считающаяся вполне допустимой, однако при рассмотрении влияния выходных сопротивлений величина погрешности значительно возрастает. Выходное сопротивление лампы V₁ складывается из параллельно включенных сопротивлений, составляющих сопротивление r_а и сопротивление нагрузки R_L, которые в сумме дают значение, примерно равное 53 кОм. Однако выходное сопротивление лампы V₂ было уменьшено в (1 + βA₀) раз, то есть от значения 53 кОм, до значения примерно 790 Ом. Следовательно, значение сопротивления понижающего резистора должно составлять 52,3 кОм, но вполне успешно может быть применен стандартный и ближайший по номинальному значению резистор 51 кОм. Сопротивление нагрузки для каждого выхода, таким образом, составит по 680 кОм. В случае, если не проводить коррекцию, выходное сопротивление лапы V₂ будет при этом примерно на 6% выше требуемого.

На практике подобные коррекции никогда не используются, что возможно и является причиной сообщений о недостаточной эффективности работы каскада. Можно было бы подумать, что подключение катодов к общей точке исправило бы баланс, но лампа V₂ охвачена такой глубокой обратной связью, что может легко преодолеть любую попытку восстановления баланса на катоде.

Информация

Продолжение