Содержание

Выходной каскад класса А с несимметричным выходом

Усилитель мощности должен обеспечивать повышение мощности поступающего на его вход сигнала с фиксированным коэффициентом усиления и передачу его с требуемой полезной мощностью в нагрузку, например, в громкоговорители. При этом в широком диапазоне изменения нагрузки усилитель не должен вносить (сверх допустимого техническими требованиями и стандартами) помех и искажений, таких как фон, шумы, паразитные автоколебания (осцилляции), линейные и нелинейные искажения усиливаемого аудиосигнала. Дополнительно к этому усилитель мощности должен быть нечувствительным к таким нарушениям режима своей работы, как короткое замыкание или холостой ход (обрыв) нагрузки. Ниже будет показано, что выполнение этих требований является далеко непростой задачей и для ее достижения требуется как тщательность конструкторской проработки, так и точность ее воплощения на практике.

Определяющим звеном всего усилителя является его выходной (оконечный) каскад. Применяемые в нем решения зачастую задают топологию всех остальных цепей усилителя, поэтому анализ усилителя начнется с выходного каскада.

Промышленные приемо-усилительные электронные лампы, предназначенные для работы в диапазоне звуковых частот, являются приборами с высоким импедансом (высокими значениями входного и выходного сопротивления), при этом амплитуда выходного напряжения усилительных каскадов может составлять несколько сотен вольт, но значение тока не будет превышать несколько десятков миллиампер. Однако применяемый в качестве нагрузки громкоговоритель, имеющий, как правило, номинальное значение входного сопротивления порядка 4—8 Ом, требует напряжения питания в несколько десятков вольт, но значения токов при этом достигают нескольких ампер. Таким образом, необходимо согласование выходного каскада лампового усилителя с громкоговорителями, как по сопротивлению, так и по току и напряжению. В противном случае, возможен выход из строя как громкоговорителей, так и ламп. Очевидным решением данной проблемы является применение выходного трансформатора, согласующего нагрузку в виде громкоговорителя с выходными характеристиками электронной лампы или совокупности ламп выходного каскада (в случае, когда каскад образован не одной а несколькими лампами).

Необходимость применения выходного трансформатора является отправным моментом при решении проблемы разработки лампового выходного каскада. Ранее уже указывалось, что характеристики трансформаторов слишком далеки от идеальных и, в итоге, качество или эффективность работы лампового усилителя во многом определяется качеством его далеко не идеального выходного трансформатора. Все же, вопреки данному факту выходной каскад с трансформаторной связью оказался превосходным инженерным решением и используется в большинстве ламповых усилителей, за исключением ряда специфических (см. далее раздел: Разработка бестрансформаторных выходных каскадов).

Электронные лампы, разработанные специально для работы в каскадах усиления мощности звуковой частоты, обладают оптимизированными параметрами, которые приводятся в технических паспортах производителей. Разработка выходного лампового каскада, если исходить лишь из самых общих и основополагающих принципов подобна попыткам заново изобрести велосипед, поэтому обзор используемых на практике промышленных вариантов представляет несомненную пользу. В силу этого оказывается весьма полезным краткий анализ наиболее часто используемых в настоящее время топологических схем.

Типовой выходной каскад усиления мощности с трансформаторной связью с нагрузкой представляет собой хорошо известный триодный усилитель, в котором использована схема включения лампы с общим катодом, а смещение задается на катоде резистором автосмещения (рис. 7.1).

Рис. 7.1 Выходной каскад с несимметричным выходом

При анализе усилителя напряжения уже использовался метод нагрузочной (динамической) прямой для выбора значения анодной нагрузки, причем внимание обращалось на оптимизацию параметров с точки зрения получения линейной характеристики, а не по значению размаха амплитуды анодного напряжения. В рассматриваемом же случае необходимо оптимизировать значение выходной мощности (см. рис. 7.2). В приводимом ниже примере использован двойной триод Е182СС, который также может быть использован в усилителе для головных телефонов. Естественно было бы задать рабочую точку пересечением линий максимального значения неизменного анодного напряжения (V_a= 300 В) и предельно допустимой мощности рассеяния на аноде (Р_а = 4,5 Вт). На практике лучше не допускать достижения предельных параметров, в том числе предельного значения рассеиваемой мощности, а обеспечивать некоторый запас по этим параметрам для обеспечения надежной работы ламп. Однако, оконечные каскады усиления, работающие с большими размахами выходного напряжения, зачастую допускают некоторое форсирование ламп по мощности (см. ниже). Вернемся к динамической характеристике. Поскольку пересечение последней с одной из приведенных статических характеристик достигается при значении V_a = 295 В, то, из соображений удобства построений, рабочая точка была несколько смещена. Из условия максимальной выходной мощности оптимальное значение нагрузки триода R_L равно удвоенному значению r_a. В рассматриваемом примере r_a составляет 3,57 кОм. Таким образом, сопротивление нагрузки R_L = 2 × r_a = 7,14 кОм.

Рис. 7.2 Динамическая нагрузочная характеристика для каскада с трансформаторной связью

Значение напряжения между сеткой и катодом V_gk = — 1 В, является предельным максимальным значением относительно точки смещения V_gk = —13 В по критерию отсутствия тока управляющей сетки. Следовательно, предельное минимальное значение этого напряжения для симметричного значения входного напряжения V_gk составит —25 В. Эти значения позволяют графически оценить размах амплитудных значений выходного напряжения: (430—85) В = 345 В. Пересчет в среднеквадратическое или действующее (эффективное) значение дает величину напряжения 122 В, которое будет соответствовать значению мощности 2,1 Вт, рассеиваемой в нагрузке. При условии, что мощность, рассеиваемая в лампе, равна 4,5 Вт, энергетическая эффективность, или КПД каскада, по анодной цепи составит 32%.

Можно сделать несколько принципиальных замечаний относительно работы данного каскада:

• как видно из рис. 7.2, динамическая нагрузочная линия заходит в область, в которой Р_а > 4,5 Вт, то есть несколько превышается предельно допустимое значение рассеиваемой на аноде тепловой мощности. Но, поскольку каскад работает с большим размахом выходного переменного напряжения, данное условие не является критичным. Это объясняется тем, что хотя за один полупериод усиливаемого колебания рассеиваемая мощность на аноде превышает допустимые 4,5 ватта, то во второй полупериод она будет значительно меньше, а тепловая инерционность анода приведет к усреднению выделяемой мощности около значения, меньшего 4,5 ватта. Таким образом, если средняя тепловая мощность за период реального сигнала не превышает предельного значения, кратковременные ее превышения не приведут к разрушению лампы. Таким образом, лампы (в отличие от транзисторов, не выдерживающих даже кратковременные перегрузки) допускают форсирование по мощности;

• рабочая точка электронной лампы задана (в рассматриваемом примере) при значении анодного напряжения 300 В. В случае идеального трансформатора в первичной обмотке трансформатора не должно быть падения напряжения на постоянном токе и, следовательно, высокое напряжение на аноде лампы должно составлять 300 В, отдаваемые источником питания. Однако оказывается возможным поднять значение анодного напряжения до примерно 430 В, что значительно превышает значение напряжения питания. Это становится возможным благодаря тому, что трансформатор запасает энергию магнитного потока в своем сердечнике, вызывая ЭДС самоиндукции. Теоретически для идеальной электронной лампы допустимый размах амплитуд V_a может составлять от нуля вольт до удвоенного значения высокого напряжения, что является очень привлекательной чертой для их применения в усилителях мощности;

• с некоторым приближением, значение сопротивления нагрузки по динамической характеристики можно принять равным 7,14 кОм, но это справедливо только в том случае, если громкоговоритель представляет чисто активную (резистивную) нагрузку. Но на практике сопротивление громкоговорителя не является чисто резистивным, а трансформатор не является идеальным устройством. Следовательно, реальная нагрузка лампы не будет чисто активной, а является комплексной, к тому же переменной величиной. Опираясь на вышесказанное, динамическая нагрузочная кривая для электронной лампы представляет собой эллипс, главная ось которого примерно совпадает с теоретической линией чисто резистивной нагрузки. Градиент (наклон) главной оси представляет активную составляющую, а величина малой оси эллипса пропорциональна значению реактивной составляющей комплексного сопротивления. Это означает, что большая часть расчетов, которые можно выполнить для выходного каскада, носит в лучшем случае ориентировочно-информационный характер и включает некоторую долю неопределенности относительно точных значений;

• так как желанной целью является максимальное увеличение мощности в нагрузке, то необходимым становится максимальное увеличение размаха амплитуд анодного напряжения, что приводит к увеличению нелинейности амплитудной характеристики усилителя. Улучшить линейность можно за счет увеличения значения анодной нагрузки и построения другой нагрузочной характеристики, но это приведет к снижению отдаваемой выходной мощности. Таким образом, эти два показателя противоречат друг другу.

Как уже упоминалось ранее, во вносимых нелинейных искажениях наиболее интенсивной является составляющая второй гармоники, которая, как уже также указывалось ранее, не является очень уж неприятной для восприятия слухом (по сравнению, например, с третьей гармоникой). Ориентировочная оценка составляющей искажений второй гармоники D в процентах может быть произведена по следующей формуле:

В рассматриваемом примере V_max = 430 В, V_min = 85 В, а V_quiescent = 295 В (напряжение покоя). Доля искажений второй гармоники в общем выходном сигнале в рассматриваемом примере составляет 11%. Очевидно, что искажения, превышающие 10%, не позволяют отнести данный усилитель к классу высококачественной звуковоспроизводящей аппаратуры, классу Hi-Fi, но привлекательность усилителей с несимметричным выходом заключается в том, что их искажения всегда прямо пропорциональны уровню сигнала, и что в случае работы с одной десятой выходной мощности, уровень искажений будет составлять примерно 1 %. Такая зависимость сохраняется и далее. С учетом того, что большую часть времени для воспроизведения музыки требуется сравнительно небольшая выходная мощность, то очень часто выдвигается аргумент (как это ни странно, энтузиастами усилителей с несимметричным выходом), что именно качество первого ватта является для усилителя определяющим, а вовсе не остальных, которые редко достигаются. Искажения также могут быть снижены за счет введения отрицательной обратной связи, но этот прием практически повсеместно отвергается последователями использования усилителей с несимметричным выходом. Поэтому усилители с несимметричным выходом характеризуются не только высоким уровнем искажений, но также имеют тенденцию иметь выходное сопротивление (зачастую как раз и определяемое обратной связью), равное половине необходимого оптимального сопротивления нагрузки.

Информация

Продолжение