|
Второй каскад непосредственно связан с катодным повторителем, чтобы исключить взаимодействие между конденсаторами связи,
а также взаимное влияние попарно объединенных элементов цепей, определяющих постоянные времени 3180 мкс и 318 мкс. Прежде
всего, постоянная времени 3180 мкс соответствует частоте среза f-3дБ = 50 Гц, которая оказывается
достаточно близко расположенной к часто используемой на практике частоте среза цепей питания каскада, равной 1,6 Гц, что
может привести к их сильному взаимовлиянию.
Вторая причина для использования катодного повторителя заключается в его очень низком значении входной емкости, что вызывает
дополнительный спад на высоких частотах, когда эта емкость оказывается включенной параллельно с элементами цепи, имеющими
постоянные времени 3180 мкс и 318 мкс. Для цепи, имеющей постоянную времени 75 мкс, оказалось возможным учесть составляющую
паразитной емкости каскада и включить ее величину в производимые расчеты. Однако для случая цепей с постоянными времени 3180
мкс и 318 мкс такая возможность отсутствует, поэтому становится весьма существенным обеспечить такие условия, чтобы любая
паразитная емкость имела настолько малое значение, чтобы ей можно было бы совершенно безболезненно пренебречь. Полное выражение
для величины входной емкости катодного повторителя имеет вид:
С достаточно хорошим приближением можно считать, что коэффициент усиления каскада равен Аυ = μ/(
μ + 1), поэтому для лампы типа Е88СС (μ = 52), Аυ = 0,97, Саg
=1,4 пФ и Сgk = 3,3 пФ. Членом, содержащим статическую входную емкость лампы Сgk
можно пренебречь в силу ее малости (0,1 пФ), поэтому входная емкость фактически не зависит от усиления при значениях
порядка 8 пФ, позволяя к тому же эффективно замыкаться паразитным емкостям на землю.
Рассматриваемая задача не уникальна: с аналогичными проблемами часто сталкивались разработчики ламповых осциллографов.
Будет весьма полезно обратиться к их опыту. Например, в схеме осциллографа марки Tektronix катодный повторитель на лампах
типа Е88СС/692 имеет входную емкость в диапазоне звуковых частот в промежутке от 1 до 2 пФ. Однако в осциллографах оптимизация
ширины полосы пропускания достигается за счет динамического диапазона, поэтому в процессе разработки схем осциллографов
всегда планируется свести к минимуму наличие паразитных емкостей, а не принимать специальные меры по оптимизации экранирования
прибора. Процесс разработки любого изделия электроники можно было бы рассматривать сточки зрения решения задачи по передаче
информации. Тогда объем передаваемой информации будет определяться частным отделения ширины полосы пропускания канала на
допустимую ошибку:
Погрешность с величиной в 0,3% является незаметной для электронно-лучевой трубки, тогда как значение 20 МГц для ширины
полосы пропускания рассматривается, как незначительное. Однако в диапазоне звуковых частот необходимо передавать сравнительный
объем информации при гораздо более узкой полосе пропускания (отношение уровня сигнал/шум составляет 96 дБ, а f-3дБ
= 131 кГц). В силу этого, при разработке конструкций аудиотехники можно много позаимствовать из опыта разработки видеотехники
и методов осциллографии.
Выравнивание частотных характеристик в точках, характеризующихся постоянными времени 3180 мкс и 318 мкс
Уравнения, связывающие в единую систему параметры цепей с постоянными времени 3180 мкс и 318 мкс потрясающе красивы и
просты: CR = 318•10-6 с, а величина сопротивления верхнего (по схеме) резистора должна иметь значение
9R (где R — величина сопротивления нижнего резистора), тогда как потери на частоте 1 кГц для этой цепи составляют
19,05 дБ (рис. 8.26).
Прежде всего, необходимо проверить, окажется ли достаточно небольшой по величине емкости шунтирующего конденсатора, равной,
например, 8 пФ, чтобы не вызывать нежелательных осложнений. Чтобы убедиться в этом, необходимо будет использовать окольный
путь.
Прежде всего, предположим, что этот конденсатор не вызовет никаких взаимовлияний. Если же это так, то частота среза цепи
достаточно высока, и тогда сопротивление конденсатора в данной цепи будет представлять достаточно малую величину. Если это
так, то его можно на эквивалентной схеме заменить короткозамкнутой перемычкой, и рассчитать новое значение выходного эквивалентного
сопротивления данной эквивалентной схемы замещения Тевенина. Так как величины сопротивлений резисторов относятся как 9:1,
то делитель напряжения обеспечивает ослабление в отношении 10:1, и выходное сопротивление будет, следовательно,
составлять одну десятую сопротивления от значения верхнего (по схеме) резистора. Если принять, что значение сопротивления
верхнего резистора по-прежнему составляет 200 кОм (при этом для простоты пренебрегается эквивалентным выходным сопротивлением
rout предыдущего каскада), то величина эквивалентного сопротивления Тевенина в цепи для паразитной емкости
на высокой частоте будет составлять 20 кОм. Комбинация этого сопротивления с емкостью 8 пФ обеспечивает значение частоты
ВЧ среза, равное 1 МГц.
Рис. 8.26 Осуществление попарного объединения параметров цепей постоянных времени 3180 мкс и 318 икс блока
частотной коррекции RIAA
В качестве метода приближенной оценки можно принять, что если соотношение между двумя взаимодействующими постоянными
времени выражается отношением 100:1, ошибка ответной реакции, вызванная взаимодействием, будет, как правило, пропорциональна
величине отношений постоянных времени, поэтому отношение 100:1 вызывает ошибку, примерно равную 0,1 дБ.
В нашем примере отношение частоты 1 МГц к частоте, соответствующей ближайшей постоянной времени 318 мкс, то есть к частоте
500,5 Гц, будет равно отношению 2000:1. Поэтому совершенно безболезненно можно пренебречь взаимодействием и более точно рассчитать
значения для попарно связанных параметров цепей, определяющих постоянные времени 318 мкс и 3180 мкс.
В случае, если цепь питается от идеального источника, имеющего нулевое сопротивление, идеальными значениями для сопротивлений
резисторов окажутся величины 180 кОм и 20 кОм (в соответствии с идеальным отношением 9:1). Такой выбор определяется, прежде
всего, тем, что они оба входят в серию Е24, а емкость конденсатора будет при этом равна 16 нФ (с точностью исполнения 0,6%).
К сожалению, реальный источник питания обладает конечным значением сопротивления, поэтому для верхнего по схеме резистора
следует ожидать значения сопротивления, которое окажется ближе к величине 200 кОм, после чего необходимо будет оценить, какие
значения величин для двух остальных элементов цепи будут задаваться этим отличающимся от идеального значением.
Так как в качестве входных использованы два идентичных каскада, выходное сопротивление составит 5,66 кОм, что приведет
к значению сопротивления верхнего резистора 205,66 кОм. Значение сопротивления нижнего резистора составит, таким образом,
22,85 кОм, а величина емкости будет равна 13,92 нФ. Для получения величины сопротивления 22,85 кОм можно использовать резистор
23,2 кОм, имеющий точность исполнения 0,1 %, параллельно которому включен резистор с сопротивлением 1,5 МОм, имеющий точность
исполнения 1 %. Значение емкости конденсатора 13,92 нФ может быть получено при параллельном включении двух конденсаторов,
имеющих емкости по 6,8 нФ, последовательно с конденсатором, имеющим емкость 330 пФ. После этого можно начертить полную схему
предусилителя с рассчитанными значениями элементов схемы (рис. 8.27).
Подгонка требуемых значений пассивных элементов под стандартные нормали
В процессе расчета схем коррекции частотных характеристик и фильтров постоянно получаются очень неудобные для практического
применения значения компонентов, и требуется немалое искусство, чтобы подогнать эти значения под величины, соответствующие
номиналам наиболее ходовой нормали Е24. К сожалению, эта трата сил зачастую оказывается напрасной, так как, хотя резисторы,
имеющие точность исполнения ±0,1%, не являются очень уж большой редкостью, точность изготовления конденсаторов не превышает
1 %. Следовательно, для обеспечения необходимой точности приходится измерять емкость большего конденсатора с использованием
мостовой схемы, обеспечивающей достаточную точность измерения (либо, с использованием цифрового измерителя емкости, обладающего
достаточной точностью пределов измерений), а также использовать дополнительные конденсаторы, чтобы их комбинацией получить
требуемое точное значение емкости.
Для конденсатора с емкостью 13,92 нФ, требующегося в рассмотренном ранее примере, оказалось необходимым замерить емкости
двух конденсаторов с номинальной емкостью 6,8 нФ, после чего было обнаружено, что их действительные значения составляли 6,74
нФ. Поэтому реально вместо включаемого последовательно конденсатора емкостью 330 пФ необходимо использовать конденсатор
с емкостью 430 пФ. В данном случае проблема оказалась решенной, но что делать, если бы вдруг оказалось необходимым иметь
точное значение емкости 10 нФ, а вот после измерений значение емкости реального конденсатора оказалось равным 10,1 нФ? Не
придет же в голову мысль слегка подшлифовать края конденсатора надфилем!
В случаях, когда требуется особая точность, и при этом в наличии имеется мост для измерения величин компонентов, то лучше
в ходе расчета схемы использовать те значения, которые оказываются наиболее близкими к значениям номиналов элементов, имеющихся
в наличии (с учетом их допусков на точность изготовления), а затем добавлять к ним дополнительные конденсаторы, чтобы получить
в итоге необходимое значение емкости. Такой подход в точности соответствует ранее использовавшемуся
правилу «отношение 100:1» для получения точного значения емкости конденсатора при его шунтировании конденсатором меньшей емкости.
Рис.8.27. Используемая на практике схема предусилителя
Элементы, имеющие очень малые отклонения от номинального значения, как правило, очень дороги да и их использование не
во всех случаях оказывается крайне необходимым. Если приходится комбинировать два элемента, один из которых имеет очень высокую
точность изготовления, а второй — несколько худшую, то их комбинация может обеспечить точность, соответствующую более точно
изготовленному элементу, но при условии, что отношение их номинальных значений превышает значение, равное отношению их
точностей изготовления. Очевидно, что элемент, имеющий большую точность изготовления, должен являться основным элементом,
тогда как элемент, имеющий больший допуск номинального значения, должен выполнять функцию подгоночного. Например, если необходим
резистор с сопротивлением 22,85 кОм, имеющий минимальное отклонение от номинального значения, можно использовать резистор
с сопротивлением 22,3 кОм и точностью изготовления 0,1% и параллельно включенный ему резистор с сопротивлением 1,5 МОм, имеющий
точность 1 %. Отношение сопротивлений 1,5 МОм:23 кОм = 65:1, что превышает значение отношения их соответствующих
точностей изготовления, которое будет равно 10:1. В силу этого, сочетание таких резисторов будет удовлетворять необходимому
требованию к точности подбора элементов схемы. Совершенно аналогично, для конденсатора с емкостью 13,92 нФ, применение
которого обсуждалось ранее, отношение емкости основного конденсатора к емкости дополнительного составляет 16:1, поэтому
точность изготовления 10% для конденсатора с емкостью 430 пФ оказывается вполне достаточной, чтобы обеспечить заданную точность
элемента схемы. Возможно, что понадобится покупать только элементы, имеющие точность изготовления 1 %, тогда отпадает необходимость
измерения их действительных значений.
Хотя в результате операции по подгонке значений реально используемых элементов схемы к требуемым расчетным были получены
достаточно хорошие совпадения, это не означает, что реальные компоненты на практике не будут иметь никаких отклонений от
полученных значений. Параметры реальных компонентов всех электронных схем изменяются со временем (процесс старения) и с изменением
рабочей температуры, поэтому их значения будут изменяться. Поэтому, все, что было проделано выше, устраняет только изначальную
погрешность, так как величины реально используемых схемных элементов будут соответствовать расчетным значениям. А это обеспечивает
более благоприятные начальные условия, позволяющие преодолеть с меньшими негативными последствиями влияние дрейфа параметров
элементов схемы.
|
