Содержание

Линейный каскад

Хотя автор и питает определенную неприязнь к применению линейных каскадов, он просто обязан допускать, что их присутствие является неизбежным фактом. Тогда, если присутствие линейного каскада необходимо, он должен быть, по крайней мере, хотя бы приемлемого качества.

Наилучшим аргументом для применения линейного каскада является тот, что блок усилителя мощности должен располагаться недалеко от громкоговорителей, чтобы уменьшить длину достаточно массивных проводов, соединяющих его с громкоговорителем. Но тогда блок, в котором осуществляется первичное преобразование звука

с носителя (дека проигрывателя, в самом простом случае) должен располагаться в непосредственной близости к точке, в которой осуществляется прослушивание этого звука. С такой точки зрения в линейном каскаде очень удобно расположить органы управления, и, прежде всего регулятор громкости, а также использовать весьма короткие соединительные провода для подключения блока первичного преобразования. Однако, линейный каскад, имеющий коэффициент усиления, примерно равный единице, должен обладать способностью работать на длинные соединительные кабели, подключающие его к усилителю мощности.

Определение значения тока в рабочей точке ВАХ

Если соединительный кабель, проложенный между двумя далеко друг от друга расположенными устройствами, не должен бросаться в глаза, то его длина должна будет существенно возрасти. Если принять, что длина соединительного кабеля, на который нагружен предусилитель, составляет примерно 20 м, то при стандартном значении погонной емкости 100 пФ/м полная емкость такого отрезка кабеля составит 2 нФ. Еще более худшим случаем является вариант использования транзисторного усилителя мощности, когда необходимо будет к этому значению прибавить еще 1 нФ, что даст общее значение емкости в 3 нФ. Если же ограничить при работе на такую емкостную нагрузку величину потерь на частоте 20 кГц значением 0,1 дБ, то необходимая частота среза по уровню — 3 дБ f_-3дБ будет равна 131 кГц, что приводит к значению сопротивления источника сигнала порядка 400 Ом.

Почти для всех ламп, используемых в схемах катодного повторителя, можно получить для режима малого сигнала близкое значение выходного сопротивления, однако более существенной проблемой является, сможет ли она обеспечить необходимое значение величины тока без внесения заметных искажений. Величина реактивного сопротивления конденсатора падает с увеличением частоты, поэтому для самого плохого случая величина реактивного сопротивления на частоте 20 кГц составит:

При рассмотрении нагрузочной характеристики и условий работы лампы, требуется использовать амплитудные значения токов и напряжений, поэтому 750 мкА среднеквадратического значения будет примерно равно 1 мА амплитудного значения. Так как этот ток определяется емкостной нагрузкой, то нагрузочная характеристика из прямой линии преобразится а эллипс (рис. 8.38).

Если предположить, что чувствительность усилителя мощности была идеально согласована с характеристиками плеера компакт-дисков, то на этом емкостном сопротивлении должно падать напряжение, равное 2 В среднеквадратического значения. По закону Ома это приведет к значению тока, определяемого выражением:

Рис. 8.38 Нагрузочная характеристика в виде эллипса, вызванная емкостным характером нагрузки

Приведенное семейство анодных и нагрузочная характеристики гиперболизированы в целях наглядности, так как для катодного повторителя не будет необходимости обеспечивать такой размах напряжения, который изображен, но при этом эффект, оказываемый емкостным характером нагрузки, будет проявляться более ярко. Работа на емкостную нагрузку заставляет линейный каскад обеспечить вертикальный размах тока +1 мА без изменения значения напряжения (это становится возможным благодаря сдвигу между векторами тока и напряжения на комплексной плоскости, который равен 90^° для конденсатора). Так как в качестве абсолютного минимального значения тока, линейный каскад (работающий в режиме класса А) должен обеспечивать прохождение тока покоя (в рабочей точке ВАХ) силой 1 мА, то он может обеспечить размах тока 1 мА в нагрузке непрерывно.

Выбор лампы

Для получения хорошей линейности на фоне значительной реактивной нагрузки в катодном повторителе необходимо использовать множество снижающих искажения отрицательных обратных связей, поэтому значение внутреннего коэффициента усиления лампы m должно быть как можно выше. Однако используемая лампа должна также обеспечивать высокую линейность характеристики до того, как будет приложена обратная связь, в противном случае обратная связь вызовет генерацию целого ансамбля высших гармоник. Далее, необходима лампа, обеспечивающая постоянство величины крутизны характеристики gm с изменением тока, так как известно, что эллипсообразная нагрузочная характеристика приводит к его изменению. К сожалению, такое требование постоянства крутизны gm при изменении значения тока I_а является чрезвычайно жестким требованием, наиболее близко которому отвечает лампа российского производства — одиночный триод типа 6С45П (другими возможными кандидатами являются включенный по схеме триода пентод типа D3a или типа 6Н30Р).

Рис. 8.39 Анодные характеристики триода 6С45П

Из приведенных характеристик видно, что при значениях анодного тока I_а > 5 мА характеристики практически линейные и явление группирования (которое снижает значения gm и μ) становится почти несущественным (рис. 8.39).

Так как известно, что ток в рабочей точке ВАХ (ток покоя лампы) должен превышать на 1 мА значение тока, при котором происходит группирование, то величина тока лампы составит I_а = 6 мА, но поскольку такое значение является приграничным, то было бы значительно лучше увеличить его до значения 10 мА.

После того, как выбрано значение анодного тока I_а, необходимо задать анодное напряжение V_a. Реальным фактором, ограничивающим выбор V_a, является необходимость исключить протекание сеточного тока при выбранном значении анодного тока I_а. Если принять значение напряжения V_gk = — 2, 5 В, то оно прекрасно обеспечивает необходимое условие и определяет значение V_a =170 В. Если использовать значение высоковольтного питающего напряжения 390 В (общее с блоком частотной коррекции RIAA), то необходимо будет погасить на резисторе напряжение равное: (390 — 170 — 2,5) В = 217,5 В. При величине тока 10 мА потребуется балластный резистор, имеющий сопротивление 22 кОм. Даже для лампы типа 6С45П эта характеристика является достаточно крутой, которая приведет к увеличению искажений до введения обратной связи, поэтому необходимо будет использовать элемент, задающий постоянную токовую нагрузку, например, на пентоде типа EF184, применение которого вынудит располагаться резистивную (омическую) составляющую комплексного сопротивления нагрузочной характеристики горизонтально (рис. 8.40).

Рис. 8.40 Условия, соответствующие выбору рабочей точки лампы типа 6С45П в линейном каскаде

Использование пентода типа EF184 в качестве элемента, задающего постоянную токовую нагрузку, значительно уменьшает искажения, однако добавляет проблемы, относящиеся к току экранирующей сетки g₂. Прежде всего, при рассмотренных условиях (необходимости поддерживать постоянное значение анодного тока 10 мА), пентоду типа EF184 требуется ток экранирующей сетки 4,4 мА, что увеличивает ток высоковольтного источника стереофонической пары почти до 30 мА.

Во-вторых, если лампа 6С45П вдруг перестанет потреблять ток по какой-либо причине (обрыв, выход из строя и т. п.), экранирующая сетка g₂ пентода EF184 начнет действовать в качестве анода и попытается пропустить весь задаваемый схемой катодный ток, то есть 14 мА, что незамедлительно привело бы к разрушению экранирующей сетки. Проблема перегрузок по экранирующей сетке является общей для всех пентодных схем, которая решается единообразно введением в цепь экранирующей сетки токоограничивающего резистора. В данной схеме подобный резистор 39 кОм защищает экранирующую сетку g₂ (рис. 8.41).

Рис. 8.41 Линейный каскад с единичным коэффициентом усиления, обеспечивающий низкий уровень искажений

Несмотря на это, можно улучшить характеристики любой пентодной схемы, если питать цепь экранирующей сетки g₂ от источника питания с низким импедансом (так как ток I_а зависит в гораздо большей степени от постоянного напряжения на экранирующей сетке V_g2, чем от анодного напряжения V_a). Однако, такое решения не предлагает защиты для рассматриваемой ситуации с экранирующей сеткой g₂ Если бы в цепи питания экранирующей сетки использовался простой стабилизатор, например, схема THINGY, то возможно было бы использование вместо дорогого и громоздкого конденсатора с емкостью 3,3 мкФ и рабочим напряжением 400 В набора более дешевых компонентов, обеспечивающих, к тому же лучшие характеристики. Однако в этом случае опять бы не была решена проблема защиты цепи экранирующей сетки g₂. Хотя пентод типа EF184 достаточно дешев, тем не менее, всегда окажется предпочтительнее процесс естественного старения ламп, чем их разрушения в результате перегрузок и неисправностей.

Если рассматриваемая схема питается традиционным способом с использованием лампового выпрямителя и все источники питания подключены к одному и тому же силовому трансформатору, нагрев катода пентода EF184 может произойти быстрее, чем триода 6С45П, оставляя пентод EF184 уязвимым в отношении проблемы тока второй сетки. Поэтому вариант использования стабилизатора THINGY был отвергнут, и окончательно принят менее эффективный вариант питания цепи второй сетки g₂ через балластный резистор.

Практические советы по наладке

В рассмотренной выше схеме, напряжение смещения лампы типа 6С45П задается падением напряжения на катодном резисторе смещения с сопротивлением 240 Ом, так как использование фиксированного смещения, задаваемого с использованием цепи делителя напряжения, могло бы привести к инжекции напряжения высоковольтного шума в сеточную цепь. Так как измеренное на практике значение входной емкости составляет всего лишь 11 пФ, то этот фактор не накладывает ограничений на выбор варианта управления громкостью, но приводит к незначительному росту искажений (от значения 0,02 % до 0,05 % на уровне +20 дБи), когда сопротивление источника сигнала превышает величину 150 кОм и при условии, что протекает сеточный ток. Соответствующие результаты проверки, выполненные на модифицированной модели усилителя Avo VCM163, подтвердили эти теоретические предположения, и показали, что постоянная составляющая сеточного тока была неизменной и имела значение примерно 0,1 мкА при размахе значения напряжения смещения V_gk в пределах от — 1 В до —3 В.

Получив даже малейший шанс, лампа 6С45П, начинает с легкостью генерировать (самовозбуждаться), когда оказывается включенной в схему катодного повторителя. На высоких частотах высоковольтный источник должен быть соответствующим образом зашунтирован на землю, следовательно, между анодным выводом и землей должен быть включен пленочно-фольговый конденсатор, например марки FKP1 с емкостью 100 нФ. Дополнительно к этому сеточный ограничительный резистор с сопротивлением 1 кОм и катодный ограничительный резистор с сопротивлением 200 Ом необходимы для подавления автогенерации на частоте 70 МГц. Если отсутствует осциллограф, с помощью которого можно было бы зафиксировать эту достаточно высокую частоту, было бы совсем неплохо увеличить сопротивление сеточного ограничительного резистора до величины 4,7 кОм. Так как в рабочей точке характеристики крутизна лампы составляет gm ≈16 мА/В, совершенно аналогично, может быть увеличено сопротивление катодного ограничительного резистора до значения 330 Ом, поддерживая, таким образом, значение эквивалентного выходного сопротивления r_оиt ниже требуемой величины 400 Ом.

Значения анодного тока I_а = 10 мА и напряжения V_a = 221 В пентода EF184 означают, что мощность, рассеиваемая на аноде лампы, Р_а = 2,2 Вт. Это значение достаточно близко к предельно допустимому значению 2,5 Вт, но так как эта лампа достаточно дешевая и широко распространена, нет смысла особенно беспокоиться об ограниченном сроке ее службы. Статическая рабочая точка пентода EF184 определяется обычном способом, но величина сопротивления катодного резистора оказывает критическое значение для точного поддержания анодного тока, равного 10 мА, поэтому его величина может подстраиваться в ходе отладки схемы. Наиболее простым способом измерить величину анодного тока является измерение с использованием цифрового вольтметра падения напряжения на резисторе 240 Ом катодной цепи лампы 6С45П и подстройка величины его сопротивления до тех пор, пока значения падения напряжения на нем не составит 2,4 В.

Информация

Продолжение