|
Важнейший параметр — коэффициент усиления каскада
К = Umвых/Umвх = UmR/Umg. (18.10)
Точнее К надо называть коэффициентом усиления каскада по напряжению, но принято слова «по напряжению»
опускать.
Усиление переменного тока оценивается коэффициентом усиления каскада по току Ki, который
равен отношению амплитуд выходного и входного тока:
Ki = Imвых/Imвх = Ima/Img
(18.11)
Если каскад работает на низких частотах и устранен сеточный ток, то входной ток ничтожно мал и Ki
может составлять много тысяч или миллионов, т. е. во много раз превышает значение Ki для каскадов с биполярными транзисторами.
Усиленное напряжение на выходе каскада определяется по формуле
Umвых = UmR = Uma = Ima
RH
или UmR = К Umg. (18.12)
Результат работы усилительного каскада характеризуется также его полезной или выходной мощностью Рвых,
т.е. мощностью переменного тока в нагрузке:
Рвых =0,5 Ima UmR =0,5 Ima
2RH =0,5 UmR2/ RH
(18.13)
Параметром усилительного каскада является также его коэффициент полезного действия. Принято рассматривать КПД
по анодной цепи, равный отношению полезной мощности Рвых к мощности постоянного тока Р0,
подводимой от источника напряжения Eа:
η = Рвых / Р0 (18.14)
Мощность Р0 есть произведение ЭДС источника Е2 на постоянную составляющую
анодного тока Iа ср:
Р0 = Iа ср Eа. (18.15)
Таким образом, КПД показывает, какая часть мощности, затраченной анодным источником, превращается в полезную мощность
усиленных колебаний.
Разность Р0 и Рвых есть мощность потерь:
Рвых = Р0 - Рвых (18.16)
В резистивном каскаде мощность потерь складывается из мощности Ра, выделяемой на аноде, и мощности
постоянного тока, теряемой в нагрузочном резисторе, PR0. У резистивного каскада КПД всегда
мал, но подобные каскады применяются в качестве маломощных усилителей и их низкий КПД не играет роли. При большой мощности
важно иметь высокий КПД. Мощные усилительные каскады низкой частоты по трансформаторной схеме или каскады усиления радиочастоты
с резонансным контуром в режимах работы с малыми искажениями имеют КПД до 45%. У таких каскадов КПД более высок, в частности, потому, что
сопротивление постоянному току первичной обмотки трансформатора
или катушки колебательного контура невелико и потери мощности в них незначительны. Для этих каскадов потерянная мощность
приближенно равна мощности, выделяемой на аноде:
Рпот ≈ Рa = Р0 - Рвых.
(18.17)
В этом случае при отсутствии переменного напряжения сетки, когда Рвых = 0, вся мощность Р0
равна Ра, т. е. выделяется на аноде. Может произойти перегрев анода и выход лампы из строя.
В мощных каскадах, когда допускаются значительные искажения, КПД достигает 70-80%.
Повышению КПД способствует отрицательное сеточное смещение. Оно уменьшает постоянную составляющую анодного тока, а следовательно,
и подводимую мощность Р0.
Не следует смешивать КПД каскада с коэффициентом усиления каскада по мощности Кp:
Кp = Рвых / Рвх (18.18)
где входная мощность Рвх может быть определена по формуле
Рвх = 0,5 Imвх Umвх. (18.19)
Поэтому
Кp 0,5 Imвх Umвх / 0,5 Imх
Umх= Ki K (18.20)
Расчет мощности Рвх представляет значительные трудности. Поэтому обычно пользуются только коэффициентом
усиления каскада по напряжению К. Для каскада усиления низкой частоты, работающего с отрицательным сеточным смещением,
мощность Рвх ничтожно мала, так как весьма мал ток сетки. Если при этом имеется резистор Rg
(см. рис. 18.4, б), то Рвх определяется потерями в нем:
Рвх = Umg 2/(2 Rg). (18.21)
Так как сопротивление Rg обычно велико, то мощность будет ничтожной.
Например, при Umg = 2 В и Rg = 1 МОм получаем
Рвх = 22/(2 • 106) = 2 • 10-6 Вт = 2 мкВт.
Значение Кp в усилителях, работающих без сеточных токов, может достигать сотен тысяч и более.
У каскадов с биполярными транзисторами Кp всегда меньше из-за больших входных токов. При работе
усилителя с сеточными токами мощность Рвх значительно увеличивается и коэффициент Кp
резко уменьшается.
Один из важных параметров усилительного каскада — его входное сопротивление Rвх, которое
каскад оказывает источнику колебаний. Оно имеет активную и реактивную составляющую. Последняя является сопротивлением входной
емкости лампы. На низких частотах это реактивное сопротивление очень велико, а поскольку активное и реактивное соединены
параллельно, то допустимо считать входное сопротивление чисто активным.
При отсутствии тока сетки и на низких частотах это сопротивление может быть очень большим (мегаомы). Тогда источник колебаний
работает в режиме, близком к холостому ходу, и напряжение у него наибольшее, почти равное ЭДС. Если имеется резистор Rg
(см. рис. 18.4, б), то входное сопротивление определяется сопротивлением Rg. Сеточный ток уменьшает
входное сопротивление до нескольких килоом или сотен ом.
Для расчета работы лампы в усилительном каскаде применяются два метода: аналитический и графоаналитический.
Аналитический метод позволяет осуществить расчеты с помощью простых формул, содержащих параметры лампы, определяемые
из характеристик для выбранного режима. Для расчета режима колебаний с большими амплитудами этот метод недостаточно точен,
так как не учитывает нелинейность лампы. Формулы аналитического расчета непригодны для расчета постоянных составляющих
тока и напряжения.
Графоаналитический метод заключается в использовании рабочих характеристик.
Они строятся с помощью статических характеристик и учитывают нелинейные свойства лампы. Такой метод наиболее точен, позволяет рассчитать не только
переменные, но и постоянные составляющие. Однако он непригоден для расчета режима колебаний с малыми амплитудами.
|
