Содержание

Использование транзисторов в качестве активной нагрузки для электронных ламп

Во всех рассмотренных выше схемах приемников неизменяющегося тока можно изменить полярность напряжения на противоположную с одновременной заменой p-n-р транзисторов на n-p-n. Если эти каскады-приемники подключить в цепь напряжения питания в качестве активной нагрузки лампы, они становиться источниками неизменяющегося тока, позволяя усилительному каскаду на триоде достичь коэффициента усиления A_v = μ. Очень важным свойством усилительного каскада с полупроводниковой активной нагрузкой является то, что возможно достичь низкого уровня искажений при низком напряжении питания.

Например, для каскада на триоде типа ЕСС83 требуется достаточно высокое питающее напряжение V_A, для обеспечения режима с нулевым сеточным током. Для маломощных электронных ламп с большим μ, напряжение между анодом и катодом в номинальном режиме часто выбирают равным 150 В. Для выбора R_h также существует общее практическое правило — R_h > 2r_а, и так как для ЕСС83 r_а = 75 кОм, можно использовать R_H = 150 кОм. Если I_а = 0,7 мА, получим падение напряжения 105 В на R_H, поэтому потребуется напряжение питания 255 В. Но маломощные каскады зачастую предназначены для усиления малых сигналов, например, для обеспечения на выходе амплитуды напряжения 5 В, поэтому коэффициент использования по питающему напряжению и КПД такого каскада оказываются очень низкими. Если заменить резистор 150 кОм источником неизменяющегося тока, то электронная лампа обеспечивает намного более высокое значение R_H, и можно установить напряжение питания независимо, чтобы обеспечивать максимальное значение требуемого размаха выходного напряжения.

На рис. 3.44 представлен очень наглядный пример использования электронной лампы с большим μ с низким напряжением питания. В этом примере требовался большой коэффициент усиления дифференциальной пары на лампе ЕСС83 с μ = 100, при пониженном напряжении анодного питания 150 В. Заметим, что для схем активной нагрузки ламп необходимы высоковольтные транзисторы, способные выдержать необходимый размах анодного напряжения.

Присутствующие в схеме стабилитроны обычно шунтируют, чтобы уменьшить шум. Однако шум, создаваемый двумя стабилитронами, является синфазным, и, следовательно, может быть подавлен следующим дифференциальным каскадом.

Рис. 3.44 Дифференциальная пара с полупроводниковой анодной нагрузкой

При тестировании в этой схеме был достигнут требуемый дифференциальный размах 7 В амплитуды выходного напряжения на частоте 1 кГц, с нелинейными искажениями всего 0,04%.

Выше уже обсуждалось, что каскодная схема значительно увеличивает r_вых, сглаживает нагрузочную линию, и уменьшает искажения, возникающие в электронной лампе. Если требуется максимизировать выходное напряжение и минимизировать искажения, можно использовать, например, лампово-полупроводниковый каскад на триоде 7N7 (аналог 6SN7)c каскодной нагрузкой, принципиальная схема которого приведена на рис. 2.51. Каскад желательно рассчитать на анодный ток I_а = 8 мА, поскольку внутренний коэффициент усиления μ для этих ламп более стабилен при I_а > 6 мА. Предполагая, что каскодная схема будет обеспечивать горизонтальную нагрузочную линию, начертим ее на уровне анодного тока 8 мА (рис. 3.45).

Рис. 3.45 Нагрузочная линия лампы 7N7 при работе с неизменяющимся током 8 мА

Обычно при возрастании V_a мы должны учитывать ограничение статических характеристик в области отсечки анодного тока. Поскольку ток I_а в рассматриваемом каскаде неизменный, единственное, что влияет на размах выходного напряжения — это то, что каскодная схема требует достаточного напряжения питания для правильной работы. В каскодной схеме вполне реально добиться падения напряжения 15, поэтому напряжение питания 400 В позволит обеспечить размах выходного напряжения вплоть до 385 В. Двигаясь в противоположном направлении вдоль нагрузочной линии 8 мА, отметим точку ее пересечения с характеристикой, соответствующей нулевому сеточному напряжению. Левее этой точки при ≈ 100 В появится сеточный ток и будут возрастать искажения. С учетом этого, максимальное значение возможного размаха выходного напряжения равно 385 В — 100 В = 285 В в амплитудных значениях, что эквивалентно =100 В действующего значения напряжения.

Хотя ток анода каскодной схемы выставлен на I_а = 8 мА, требуется обязательно отрегулировать смещение лампы, чтобы добиться требуемого V_a. Чтобы обеспечить максимальный неискаженный размах выходного напряжения, нужно ни при положительном, ни при отрицательном полупериоде усиливаемого колебания не попадать в область искажений. Таким образом, рабочую точку нужно установить посередине между минимальным и максимальным анодными напряжениями, за пределами которых будут появляться значительные искажения:

Зная величину анодного напряжения в точке покоя, по статическим характеристикам легко определить требуемое напряжения смещения V_ck = 8 В, которое легко может быть обеспечено, например установкой в катодную цепь стабилитрона на 8,2 В (рис. 3.46). Поскольку каскад, рассматриваемый в данном примере, предназначен для работы с большим размахом выходного напряжения, шумы стабилитрона не является значительной проблемой, поэтому в этой схеме не обязательно шунтировать стабилитрон конденсатором.

Если на электронной лампе падает 242,5 В, то на нижнем транзисторе упадет 147,5 В, таким образом он должен рассеивать 1,18 Вт в режиме покоя при заданном токе. Когда размах анодного напряжения V_a достигает 100 В, транзистор должен выдержать напряжения 285 В при токе 8 мА, рассеивая в этот момент времени 2,28 Вт мощности. На практике, транзисторы следуют выбирать с небольшим запасом по мощности, чтобы избежать их пробоя в следствие кратковременных перегрузок. При этом, на втором транзисторе падает существенно меньшее напряжение, и он может быть выбран менее мощный, нежели первый.

Рис. 3.46 Полупроводниковая каскодная анодная нагрузка

Обратимся теперь к критериям выбора транзисторов с точки зрения возможной оптимизации r_вых В таблице 3.3 сравниваются транзисторы, которые могут быть полезны во вспомогательных схемах усилительных каскадов на электронных лампах. Выходное сопротивление на низких частотах частично определяется параметром 1/h_ое, но определяющий вклад вносит параметр h_fe, поскольку любое сопротивление в цепи эмиттера умножается на h_fe. Выходное сопротивление на высоких частотах шунтируется паразитной емкостью между коллектором и эмиттером транзистора, которая частично определяется паразитными емкостями монтажа, а также емкостями самого транзистора. Обычно все мощные высоковольтные транзисторы имеют достаточно большую площадь кремниевого кристалла, и относительно большие паразитные емкости, что отражается на их граничной частоте f_T Кроме того, f_T существенно изменяется с изменением коллекторного тока I_к, и использование транзистора с I_к ниже рекомендуемого номинального значения может уменьшить f_T вплоть до нескольких раз.

Как следствие из этих соображений, в каскодном приемнике неизменяющегося тока маломощного каскада целесообразным было бы использование двух транзисторов типа ВС549 или, если требуется низкая выходная емкость (≈ 0,5 пФ, исключая паразитные емкости) и достаточно высокое напряжение, то, например, трех транзисторов типа BFR90.

Для получения полного перечня технических характеристик транзисторов очень удобно воспользоваться Интернетом — практически все изготовители полупроводников имеют превосходные Web-сайты.

Ниже приведен перечень наиболее важных параметров транзистора, которые необходимо учитывать при его выборе.

V_{кэ(макс)}: максимальное допустимое напряжение между коллектором и эмиттером. (Имеются разнообразные способы определения этого предела, но пока вы не знаете точных режимов схемы, разумно не превышать 2/3 рекомендуемого V_кэ.)

I_к(макс): максимально допустимый ток коллектора.

P_(макс): максимальное значение допустимой мощности рассеяния прибора (P = I_к * V_кэ).

f_T граничная частота, при которой коэффициент усиления по переменному току равен единице. На этой и более высоких частотах, транзистор теряет свои усилительные свойства.

h_fe(мин) минимальный коэффициент усиления по постоянному току в схеме включения транзистора с общим эмиттером. Опытным путем установлено, что необходимый h_fe транзистора обычно требуется равным удвоенному минимальному току лампы, в цепи которой будет установлен транзистор.

l/h_oe(тип): это типовое значения выходного сопротивление транзистора по переменному току (эквивалент R_a в схеме с общим эмиттером (то есть выходное коллекторное сопротивление). Оно редко указывается изготовителями, потому на практике его часто приходится измерять характериографом. Как правило p-n-р транзисторы имеют напряжение Эрла ниже, чем n-p-n транзисторы, по этой причине их l/h_oe ниже и быстрее понижается при увеличении тока.

Любой биполярный транзистор должен иметь минимальное напряжение между коллектором и эмиттером VKЭ, чтобы работать в линейной области. Для транзисторов низкого напряжения при токах < 30 мА, напряжение ≈ 1 В является достаточным, но при более высоких токах может потребоваться и около 2 В (рис. 3.47).

Рис. 3.47 I_к в зависимости от V_кэ для транзистора 2N3904, показывает минимальное требуемое напряжение V_кэ

Высоковольтным транзисторам, таким как МРSА42 или MJE340 может потребоваться VKЭ > 2 В. Приемник неизменяющегося тока в дифференциальной паре, работающей в качестве фазорасщепителя, просаживает на себе половину входного сигнала, поэтому этот пункт может оказаться существенным. В каскодной схеме приемника неизменяющегося тока на нижний транзистор не поступают сигналы переменного тока, поэтому он может быть выбран исходя из падения напряжения около 2 В постоянного тока. На верхнем транзисторе при этом будет падать более высокое напряжение.

Приемник неизменяющегося тока на интегральной схеме.

Кроме приемников неизменяющегося тока на лампах или транзисторах, есть и другая возможность — применение для приемника неизменяющегося тока специально разработанной интегральной схемы: программируемого приемника неизменяющегося тока, например, LM334Z. Этому прибору не требуются дополнительные источники питания. Такая микросхема неплохо работает только при падении на ней 1,2 В и при токе I_(макс) = 10 мА. Типовое применение этого прибора — катодная цепь дифференциальной пары. В то же время в области высоких частот могут возникать проблемы с устойчивостью из-за самовозбуждения внутреннего операционного усилителя интегральной схемы.

Информация

Продолжение