|
Акцент рассматриваемой конструкции будет сделан на проектировании предоконечного каскада усиления с безупречными рабочими
характеристиками, который смог бы возбуждать любую из ламп, приведенных в табл. 7.5.
Оговоренные в качестве особого условия «безупречные рабочие характеристики» являются наделе весьма неопределенными и
требуют перевода на инженерный язык, который и позволяет найти инженерное решение поставленной задачи. Итак, составим перечень
требований к рассматриваемому каскаду.
1. Минимальные нелинейные искажения, определяемые инструментальными
(приборными) методами.
2. В искажениях основную долю должны составлять четные гармоники (поскольку именно они компенсируются
в выходном каскаде).
3. Симметричный, хорошо уравновешенный выход для возбуждения двухтактного выходного каскада.
4. Максимальная неискаженная амплитуда выходного напряжения.
5. Достаточно высокий коэффициент усиления, позволяющий использовать
в случае необходимости межкаскадную отрицательную обратную связь.
6. Низкое значение выходного резистивного сопротивления (по постоянной составляющей), позволяющее
избежать проблем с постоянным током сеточного смещения.
7. Низкое значение выходного реактивного сопротивления (по переменной составляющей) для управления
емкостной нагрузкой.
8. Допустимость изменения в выходном каскаде угла отсечки в широких пределах, необходимая для
подгонки под заданный режим класса АВ в процессе настройки.
9. Немедленное восстановление, даже после сверхбольших перегрузок.
Определение топологии схемы, удовлетворяющей требованиям к предоконечному какаду усиления
Рассмотрим возможные пути реализации заявленных технических требований к предоконечному каскаду.
1. Минимальные искажения, определяемые приборными методами
Это требование предполагает по возможности минимального наклона динамической характеристики. Такая почти горизонтальная
нагрузочная прямая предполагает активную нагрузку, но высокие значения активной (резистивной) нагрузки, требующие больших
значений высокого напряжения, также представляют собой определенную сложность для разработчика.
2. В искажениях основную долю должны составлять четные гармоники
Это требование предполагает использование триодов, а не пентодов. Принимая во внимание одновременное выполнение требований
(1) и (2), можно предположить, что использование триодов семейства *SN7/*N7, выдерживающих значительные анодные напряжения,
могло бы оказаться неплохим вариантом.
3. Симметричный, хорошо уравновешенный выход
Это требование лучше всего выполняется применением двух каскадно включенных дифференциальных усилителей, имеющих в качестве
элемента, задающего постоянную токовую нагрузку, общий резистор цепи питания. Так как при работе триода возникают искажения
в основном по второй гармонике, которые взаимно уничтожаются в дифференциальном усилителе, то это решение будет удовлетворять
требованию (1), но усиливает преимущества использования триодов семейства *SN7/*N7, так как лампы, генерирующие низкие искажения
третьей гармоники полезны из-за того, что нечетные гармоники интенсивно суммирующихся в дифференциальном усилителе.
4. Максимальная неискаженная амплитуда выходного напряжения
Одной из сильных сторон дифференциального усилителя является высокая линейность характеристики при большом размахе амплитуд
выходного напряжения. Тем ни
менее, чем выше уровень высокого напряжения, тем лучше, поэтому это требование предполагает, что в каскаде предварительного
усиления высокое напряжение может существенно превысить значение 400 В. Так как, скорее всего, в выходном каскаде также будет
использоваться напряжение порядка 400 В, то это требует, чтобы каскад предварительного усиления имел индивидуальный источник
питания.
5. Достаточно высокий коэффициент усиления, позволяющий использовать в случае необходимости межкаскадную отрицательную
обратную связь
Возможно, что данное условие могло бы быть соблюдено каскадным включением двух триодов в схеме дифференциального усилителя.
При необходимости коэффициент усиления может быть легко увеличен вдвое использованием двойных триодов с высоким значением
таких, например, как 6SL7, 7F7, ЕСС83 либо ЕСС808 на входе дифференциального усилителя.
6. Низкое значение выходного активного сопротивления (по постоянной составляющей), позволяющее избежать проблем с
постоянным током сеточного смещения
В большинстве выходных ламп повышенной мощности может существовать значительный сеточный ток (в режиме класса АВ2) даже
при отрицательном смещении на сетке, это и есть причина, по которой в паспортных данных производителей ламп рекомендуются
такие низкие значения сопротивления в качестве предельных величин для резисторов сеточного смещения. Однако низкое сопротивление
сеточного резистора смещения является крайне неприятной нагрузкой для предыдущего каскада.
Для удовлетворения данного требования необходимо, чтобы возбуждающие каскады были непосредственно связаны с сетками выходного
каскада по постоянной составляющей. Источник высокого питающего напряжения выходного каскада используется наиболее эффективно
в случае, когда потенциал на катодах выходных ламп равен нулю, то есть при соблюдении условия, что высоковольтное напряжение
VHT ≈ Va. Следовательно, постоянное напряжение на анодах предоконечного каскада
должно быть отрицательным относительно катодов ламп оконечного каскада, чтобы задавать необходимое смещение выходных ламп.
Но аноды дифференциального усилителя предоконечного каскада усиления только тогда могут иметь отрицательное напряжение
относительно катодов ламп выходного каскада, когда эти катоды будут иметь не нулевой потенциал относительно общего провода,
а положительный потенциал, превышающий напряжение анодного питания ламп предоконечного каскада на величину требуемого отрицательного
напряжения смещения ламп выходного каскада. Решить такую задачу резисторами катодного автоматического смещения не представляется
реальным, из-за огромных тепловых потерь. Выходом из положения является может послужить использование двухполярного питания,
когда катодные цепи дифференциальных усилителей подключаются не к общему проводу, а к дополнительному источнику высоковольтного
напряжения, отрицательной полярности относительно общего провода. В рассматриваемом примере скорее всего будет достаточно
напряжения —300 В. Если анодные цепи дифференциальных усилителей предоконечного каскада подключены к источник высоковольтного
напряжения выходного
каскада, то напряжение питания, приложенное между его анодной и катодной цепями, составит сумму питающего напряжения
выходного каскада и напряжения вспомогательного источника, что в итоге даст напряжение, равное 700 В. Этого вполне достаточно,
чтобы легко удовлетворить требования (4) и (1).
7. Низкое значение выходного реактивного сопротивления (по переменной составляющей) для управления емкостной нагрузкой
Хотя семейство ламп *SN7/*N7 характеризуется очень низкими искажениями, величина внутреннего анодного сопротивления rа
не является очень маленькой, и, следовательно, этому требованию не удовлетворяет. Лампы типов 6ВХ7 и 6BL7 имеют более
низкое значение ra, но у них большие искажения, а значительная емкость Миллера способна принести существенный
вред. Использование на выходе дифференциальных усилителей катодных повторителей вводит своего рода разделение ответственностей
за низкие искажения и низкое значение выходного сопротивления, позволяя дифференциальному усилителю решить проблему оптимальной
линейности и размаха амплитуд напряжения питания, а катодным повторителям отвечать за необходимый уровень возбуждения оконечного
каскада.
8. Допустимость регулировки угла отсечки ламп выходного каскада
Вероятность столкнуться с данной проблемой значительно выше, чем это кажется на первый взгляд. При исследовании свойств
фазоинверторов уже указывалось, что все фазоинверторы очень требовательны к нагрузке и для нормальной работы им необходима
нагрузка, соответствующая работе последующего каскада в режиме класса А. Поэтому целесообразность использования катодного
повторителя все более и более возрастает, так как их буферное свойство заметно уменьшает воздействие на двухкаскадный фазоинвертор
нелинейно нагрузки, создаваемой лампами выходных каскадов, работающих с отсечкой анодного тока.
Автор установил, что попытки перевести выходной каскад для работы в чистый класс АВ2 не стоят свеч, следовательно, смещение
на катодные повторители будет задаваться только так, чтобы они могли корректно работать на нагрузку, создаваемую емкостью
Миллера в выходном каскаде и при этом не будет предприниматься никаких попыток управлять сеточным током. Для максимального
увеличения размаха амплитуды напряжения, режим работы катодных повторителей скорее всего должен задаваться таким, чтобы
на их катоды прикладывалось половинное значение от полного размаха напряжения питания высоковольтного источника питания,
то есть значения Va = 350 В. Если не предпринимать попыток управления сеточным током, то
величина анодного тока Ia = 7 мА окажется вполне достаточной, приводя к значению мощности на аноде Ра
= 2, 5 Вт, что вполне укладывается в допустимые параметры, приводимые для ламп семейства *SN7/*N7.
9. Немедленное восстановление, даже после сверхбольших перегрузок
Данное требование означает, что усилитель не должен страдать от блокировки. Следовательно, разделительные конденсаторы
должны располагаться так, чтобы осуществлять связь с каскадом, который не будет перегружен. По определению, выходной каскад
может оказаться перегруженным, но несколько ранее уже было определено условие,
по которому связь с ним должна осуществляться непосредственно по постоянному току. Таким образом, нет
никаких преимуществ в установке развязывающего конденсатора между вторым дифференциальным усилителем и катодными повторителями,
так как на анодах дифференциального усилителя должно быть примерно такое же напряжение, что и на сетках катодных повторителей,
для того чтобы полностью использовать преимущества полного размаха высоковольтного напряжения. Идеальным местом установки
развязывающих конденсаторов, таким образом, оказывается точка между двумя дифференциальными усилителями.
В более ранних работах по использованию итерационных методов для предоконечного каскада усиления рассмотренного выше
типа, было получено суммарное значение коэффициента нелинейных искажений и шумов THD + N на уровне 0,03% для точки, расположенной
чуть ниже значения, при котором сеточный ток выходного каскада обеспечивал явный переход в режим перегрузки. Автор
одновременно и смущен, и в то же время горд сообщить читателям, что измерение искажений при условии размаха амплитуд дифференциального
напряжения, составляющего +45 дБ (177 В среднеквадратического значения), то есть в максимальной точке, на нагрузке 100 кОм
дало суммарное значение коэффициента нелинейных искажений и шумов THD + N на уровне 0,11%, и это как раз перед тем, как на
дисплее прибора MJS401D мелькнуло сообщение «Высокий уровень» и прибор вышел из строя. Из чего автор заключил: не стоит чрезмерно
увлекаться и испытывать на прочность свое измерительное оборудование, пытаясь провести измерения не при номинальных, а при
максимальных уровнях сигналов.
Даже если каждая из рекомендованных ламп оконечного каскада типа 13Е1 требует напряжения возбуждения примерно 58 В среднеквадратического
значения, каскад предварительного усиления имеет запас устойчивости порядка 10 дБ на всех частотах. Отсюда следует вывод:
выходной каскад может перегружаться на 10 дБ (вызывая при этом высокие искажения) до того, как второй дифференциальный усилитель
допустит блокировку, следовательно, восстановление при разумных значениях перегрузки будет моментальным.
Суммируя все сказанное, можно заключить, что необходим каскад из двух дифференциальных усилителей, разделенных конденсатором,
в которых используются лампы семейства *SN7/*N7, двухполярный источник высоковольтного питания с размахом напряжения, равным
примерно 700 В. Выход дифференциального усилителя каскада должен быть непосредственно связан по постоянной составляющей с
катодным повторителем, который в свою очередь должен быть непосредственно связан по постоянной составляющей с цепями сеток
ламп выходного каскада. Принципиальная схема проектируемого усилителя приведена на рис. 7.41.
|
