|
Наиболее распространенным видом сопряжения одного каскада со следующим является сопряжение через конденсатор — так называемая
емкостная связь. Идеальный конденсатор не генерирует искажений. К сожалению, даже идеальный конденсатор может увеличивать
искажения сгенерированные лампами или транзисторами.
Проблема блокировки разделительным конденсатором
Блокировка — крайне неприятное явление, в следствие которого усилитель подавляется на короткое время после кратковременной
перегрузки. Очень часто блокировка вызывается конденсатором, который соединяет перегруженный каскад с соседним (рис. 4.23).
Рис. 4.23 Емкостная связь между каскадами
Емкостная связь между двумя каскадами совместно с резисторами входной цепи следующего каскада формирует фильтр верхних
частот. Для того, чтобы не влиять на аудиосигнал, всегда стараются, чтобы частоты среза всех RC фильтров, образующихся за
счет цепей связи и питания по уровню f-3дБ составляли около 1 Гц, подбирая номиналы деталей
из соотношения:
Таким образом, установка частоты среза f-3дБ = 1 Гц означает, что постоянная времени цепи
t = 160 мс.
Как следует из закона Кирхгофа для напряжений, в рассматриваемой цепи должно выполняться следующее условие для напряжения,
приложенного к разделительному конденсатору:
В нашем примере, постоянное анодное напряжение предшествующего каскада Va(V1) = 100
В, а сетка следующего каскада связана с землей через резистор смещения сетки, поэтому Vc(V2)
= 0 В, вызывая Vc= 100 В.
Если подать на вход первого каскада всплеск сигнала для того, чтобы получить на аноде 20 В положительной полуволны переменного
напряжения сигнала, напряжение сетки второго каскада V2 пытается возрасти также на 20 В, но реально в данном
примере оно достигнет лишь +10 В, в следствие конечной проводимости участка сетка — катод. В этом случае предыдущее уравнение
по-прежнему должно быть верным, поэтому:
Напряжение на разделительном конденсаторе в этом случае способно изменяться очень быстро, поскольку теперь он заряжается
через низкое полное сопротивление цепи перегруженной сетки.
По окончании импульса можно найти напряжение на сетке второй лампы, преобразуя уравнение:
Итак, напряжение на сетке —10 В, но при этом на катоде катодным развязывающим конденсатором цепи автосмещения поддерживается
+10 В, поэтому суммарное напряжение между сеткой и катодом Vск = — 20 В, и цепь сетки
возвращается к высокому полному сопротивлению. Очень важно, что электронная лампа при этом закрывается и остается
закрытой до тех пор, пока сетка не вернется в исходное состояние с нулевым напряжением. Единственная цепь для токов заряда
и разряда конденсатора, это путь через резистор смещения сетки, но, как уже было рассмотрено ранее, эта цепь имеет постоянную
времени 160 мс. Поскольку для изменения заряда конденсатора на 99% от максимального требуется время, равное 5t, — исходное
состояние на сетке (нулевое напряжение), не будет восстановлено, пока не пройдет 0,8 с после кратковременной перегрузки.
Восстановление режима каскада после перегрузки усложняется тем обстоятельством, что при запертой лампе отсутствует катодный
ток, что в свою очередь усложняет разряд развязывающего конденсатора через резистор катодного смещения. Сама электронная
лампа также требует некоторого времени на восстановление после перегрузки и вызываемой ей блокировки. Таким образом, кратковременная
перегрузка вызывает блокирование усилителя примерно на одну секунду.
Можно подумать, что сильная перегрузка, вызывающая блокировку маловероятна, но в тех усилителях, где применяется глубокая
обратная связь в усилителе мощности с емкостной связью с предыдущим каскадом, блокировка весьма вероятна даже при слабых
перегрузках. Предположим, что переходный процесс вызывает ограничение в выходном каскаде. Обратная связь пытается скорректировать
это искажение формы сигнала, значительно увеличивая сигнал выходного каскада, создавая тем самым благоприятные условия для
блокировки.
Как уже было показано, блокировка происходит, потому что разделительный конденсатор значительно изменяет свой заряд во
время перегрузки. Если конденсатор удалить или переместить, то есть изменить схемотехнику междукаскадной цепи, эту проблему
можно существенно уменьшить или вовсе исключить. При рассмотрении различных каскадов усиления мощности, будет рассмотрен
и вариант межкаскадного согласования, исключающий проблему блокировки.
Трансформаторная связь между каскадами
Качественные трансформаторы звуковых частот являются дорогостоящими компонентами, но они являются основой для решения
задач согласования громкоговорителей с ламповыми усилителями. Также применяются и межкаскадные трансформаторы, применение
которых дает несколько уникальных преимуществ.
Если трансформатор используется как анодная нагрузка каскада, то электронная лампа может достичь намного большего размаха
сигнала, потому что анодное напряжение теоретически может иметь размах до удвоенного значения высокого напряжения питания.
Так как трансформатор эффективно удваивает анодное напряжение, а истинный размах сигнала пропорционально меньше, это уменьшает
искажения по сравнению с аналогичным каскадом на такой же лампе, имеющей резистивную анодную нагрузку при одинаковом напряжении
питания. Двухтактный каскад дополнительно позволяет подавить четные гармоники искажений. К сожалению, несимметричный (однотактный)
трансформаторный каскад, в отличие от двухтактного, где постоянные токи ламп текут через полуобмотки трансформатора встречно,
работает при постоянном токе, протекающем через первичную обмотку, что чревато насыщением сердечника. Решается эта проблема
применением броневого сердечника с зазором, что уменьшает ширину полосы. Если трансформатор понижает напряжение в отношении
2:1, каскад может создавать одинаковый размах выходного напряжения по сравнению с аналогичным каскадом с резистивной нагрузкой,
но при этом выходное сопротивление оказывается в четыре раза ниже.
С точки зрения вторичной обмотки, обмотка с центральным выводом обеспечивает идеальное расщепление фазы, что делает такие
трансформаторы весьма привлекательными в качестве фазоинверторов. Мощным лампам необходимо низкое сопротивление утечки
сетки из-за их сеточного тока, поэтому очень низкое сопротивление по постоянному току идеально для вторичной обмотки.
Против этих преимуществ всегда нужно взвешивать неизбежный факт, что межкаскадные трансформаторы имеют недостаток — они
работают с высоким полным сопротивлением.
Смещение уровня и связи по постоянному току
Кроме резисторно-емкостной и трансформаторной, также существует и непосредственная связь между каскадами, когда согласование
уровней соседних каскадов по постоянному напряжению обеспечивается резистивными делителями, вспомогательными источниками
и специальными схемами сдвига уровня (рис. 4.24).
На рис. 4.24а, приведен простой резистивный делитель напряжения с дополнительным источником питания отрицательной. Пусть
нужно получить уровень —10 В на выходе делителя напряжения, что будет соответствовать требуемому постоянному напряжению на
сетке следующего каскада. Вместо того, чтобы использовать уравнение делителя напряжения, легче установить некоторую целесообразную
величину тока через делитель напряжения и применить закон Ома, чтобы найти требуемые сопротивления через необходимые падения
напряжения на них.
Рис. 4.24 Три способа непосредственной связи двух каскадов по постоянному току
Подобным образом, сопротивление нижнего резистора должно быть:
Рассматриваемый в данном примере делитель напряжения будет ответвлять на себя часть тока анода электронной лампы предшествующего
каскада, поэтому нужно минимизировать этот ток. Если установить ток делителя напряжения величиной 100 мкА, то при напряжении
100 В на аноде предшествующей лампы, напряжении —100 В
вспомогательного выпрямителя и требуемом напряжении —10 В на сетке последующей лампы, нетрудно найти сопротивление верхнего
резистора:
Ближайшее стандартное значение равное 910 кОм — прекрасно подойдет. К сожалению, мы имеем не только сдвинутый уровень
сигнала по постоянному напряжению на требуемую величину, но также его ослабление. По переменному току имеем следующий
коэффициент передачи делителя напряжения:
Чистые резистивные схемы сдвига уровня неизбежно ослабляют полезный сигнал, и это та цена, которую мы должны платить
за простые связи по постоянному току.
В качестве альтернативы, можно заменить верхний резистор аккумулятором, чтобы сделать схему сдвига уровня с источником
напряжения: смотри рис. 4.246.
Так как аккумулятор является идеальным источником напряжения, он является коротким замыканием по переменному току, поэтому
эта схема сдвига уровня не ослабляет переменный ток. Так как аккумуляторы на 110 В неудобно большие, заменим аккумулятор
стабилитроном или неоновой лампой — источником опорного сигнала. К сожалению оба устройства должны пропускать значительный
ток покоя (обычно порядка 5 мА), что затрудняет их использование. Хуже всего — они оба шумят.
Существует и еще одна возможность исправить положение — заменить нижний резистор приемником неизменяющегося тока, для
создания схемы сдвига уровня с источником тока (рис. 4.24в). Нет препятствий для того, чтобы сделать приемник неизменяющегося
тока на биполярных транзисторов или пентоде. При условии, что
приемник имеет rвых >> Rвехнего, схема сдвига уровня с источником тока
не ослабляет полезный переменный ток. Тем не менее, имеется проблема шума. Пентоды и некоторые транзисторы являются усилителями
тока, управляемые напряжением, это означает, что они преобразуют входное напряжение в выходной ток. Приемник тока усиливает
свой источник опорного напряжения постоянного тока, и нужно преобразовать его выходной ток в напряжение, используя резистор
с высоким сопротивлением. В сущности, мы сконструировали усилитель с большим коэффициентом усиления, который усиливает шумовое
напряжение постоянного тока источника опорного сигнала.
Хотя схемы сдвига уровня с источником тока пригодны для использования, их основная проблема — шум, и почти все усилия
разработки должны сосредотачиваться на уменьшении их шума до допустимого уровня. Приемник неизменяющегося тока, включаемый
в катодную цепь дифференциальной пары не добавляет существенный шум, потому что работает на низкое полное сопротивление
нагрузки rк, и его шум является синфазной помехой, поэтому он обычно подавляется.
К сожалению, все рассмотренные методы непосредственной связи между каскадами электрически соединяют сигнал с вспомогательным
отрицательным источником питания, который также способен добавлять помехи от источника промышленной частоты (фон) и шум
к полезному сигналу.
|
