Содержание

Усилитель на триоде с общим катодом

Очевидно, что основное назначение лампы — это усиление слабых сигналов. Следовательно, необходимо знать, как сконструировать усилительный каскад, подать напряжение или ток смещения на лампу таким образом, чтобы создать усилитель с линейной характеристикой и минимизировать искажения. Мы начнем наш анализ с анодных характеристик на примере лампы ЕСС83/12АХ7 (рис. 3.1).

Анодные характеристики — наиболее удобное для анализа и расчета усилителя семейство кривых электронной лампы. Напомним, что эти графики показывают зависимости тока анода Iа в зависимости от анодного напряжения V_a, для различных значений напряжения между сеткой и катодом ( V_ck). Первое на что следует обратить внимание — электронные лампы работают при высоких напряжениях (обычно значительно больших, чем в транзисторных схемах) и при относительно малых токах. Второе — при отсутствии напряжения смещения на сетке (V_ck = 0), ток анода очень велик и ограничивается только количеством электронов, которые может испускать катод. Для уменьшения анодного тока, лампу нужно запереть отрицательным смещением на сетке, в отличие от биполярного плоскостного транзистора, который наоборот отпирают путем подачи напряжения смещения.

Рис. 3.1 Анодные характеристики триода

Простейший каскад усиления как правило содержит резистор анодной нагрузки R_H, стоящим между анодом и источником питания ВН (это историческое сокращение, и обозначает высокое напряжение). Такой каскад часто так и называют — резисторный каскад (рис. 3.2).

Рис. 3.2 Усилитель с общим катодом с резистивной нагрузкой

Предположим, что источник питания ВН имеет нулевое выходное сопротивление на всех частотах от постоянного тока до световых частот (в реальных устройствах сопротивление источников питания также близко к нулю). Прикладывая входное напряжение между сеткой и катодом, мы модулируем разность потенциалов сетка-катод V_ck законом входного сигнала, и, таким образом, управляем током анода. Из статических характеристик (особенно проходных) лампы видно, что анодный ток очень сильно зависит от анодного напряжениям чем резче эта зависимость (то есть чем больше крутизна лампы), тем резче зависимость анодного тока от сеточного напряжения. Вот почему эта сетка часто называется управляющей сеткой.

В дальнейших рассуждениях чтобы связать схему усилителя с анодными характеристиками лампы и извлечь из них максимум полезной информации воспользуемся графоаналитическим методом нагрузочных линий, который очень широко используется в расчетах ламповых схем.

Глядя на уравнение закона Ома, является очевидным, что если нет тока, текущего через сопротивление (и, следовательно, через электронную лампу), то не должно быть и падения напряжения на сопротивлении. Если нет падения напряжения между выводами сопротивления, то все ВН должно быть приложено между анодом и катодом электронной лампы. Таким образом можно обозначить эту точку на графике анодных характеристик как V_a = ВН = 350 В, I_a = I_r = 0. Аналогично можно доказать, что если нет падения напряжения на электронной лампе, то все ВН должно упасть на концах резистора. Можно подсчитать ток через резистор, и, следовательно, через электронную лампу. В нашем примере R_H= 175 кОм, ВН = 350 В, таким образом ток анода 1_а — 2 мА, и можно обозначить на графике и эту точку.

Так как закон Ома является линейным уравнением, которое описывает прямую линию, то если мы знаем две точки, мы полностью определили эту прямую. Это означает, что теперь можно начертить прямую линию между двумя нанесенными точками, как показано на графике (рис. 3.3).

Рис. 3.3 Нагрузочная линия

Итак, мы построили нагрузочную линию или динамическую характеристику. Она показывает как изменяется анодный ток при одновременном изменении анодного и сеточного напряжений. Мы определили ток анода для любого анодного напряжения, используя ВН 350 В и анодную нагрузку 175 кОм. Если нужно изменить анодную нагрузку или ВН, мы должны пересчитать и перечертить нагрузочную линию. Метод нагрузочных линий является одним из наиболее наглядных видов анализа, который можно выполнить на каскаде с электронной лампой и очень широко используется при расчетах.

Если рассматривать нагрузочную линию, то можно увидеть, что она пересекается в разных точках с кривыми выходных характеристик лампы I(V_a) для различных значений V_ck. Это означает, что зная пределы изменения входного напряжения V_ck можно оценить соответствующие им изменения анодного напряжения, и затем подсчитать коэффициент усиления каскада по напряжению.

Предположим, что мы подадим на вход каскада усиления синусоидальное колебание размахом 8 В (то есть амплитудой 4 В), которое приложено относительно нулевого напряжения смещения (в схеме на рис. 3.3 никакого постоянного напряжения на сетку не подается). Если начать отсчет с характеристики, соответствующей нулевому сеточному напряжению, то увидим что линия статической характеристики пересекает нагрузочная линию при V_a = 72 В. Затем рассмотрим наиболее отрицательное значение синусоидального колебания — 4 В, и увидим, что при пересечении с нагрузочной линией оно даст в результате V_a = 332 В. Для приложенного на входе напряжения — 4 В, получим положительное изменение напряжения на аноде 260 В. Таким образом, усилитель с общим катодом инвертирует входной колебание, когда отрицательной полуволне входного колебания соответствует положительная полуволна выходного и наоборот. Поскольку коэффициент усиления по напряжению определяется как отношение выходного напряжения к входному напряжению, то имеется усилитель с коэффициентом усиления 65 (или — 65, где знак минус лишь напоминает нам, что это инвертирующий усилитель).

К сожалению, рассмотренный выше усилитель не очень линейный. Если теперь рассмотреть положительный полупериод синусоидального колебания продолжить повышение сеточного напряжения выше 0 В, обнаружится, что анодное напряжение неспособно понижаться в таких же пределах, как оно повышалось при действии отрицательной полуволны входного колебания. По этой причине выходной сигнал больше не подобен входному сигналу, то есть он сильно искажен в области отрицательной полуволны выходного колебания.

Для создания усилителя, в котором отсутствуют подобные искажения, следует выбрать напряжение смещения на сетке или, иначе говоря, рабочую точку, в которой установится такой статический (то есть при отсутствии сигнала на входе) режим, при котором каскад может усиливать как отрицательные, так и положительные полуволны входного сигнала без заметных искажений.

Информация

Продолжение