Содержание

Режим в рабочей точке

Хотя выбор рабочей точки теперь значительно ограничен, по-прежнему можно рассуждать об оптимизации различных показателей усилителя путем того или иного ее выбора.

Как правило при выборе рабочей точки, имеются два основных (и обычно противоречивых) фактора: максимальное использование лампы по напряжению и линейность. Если, например, выбирать смещение для достижения максимального размаха анодного напряжения, то установим постоянное напряжение на аноде V_a = 225 В, чтобы добиться изменения анодного напряжения в пределах от 300 В до 150 В. Это будет выполняться при подаче на сетку напряжения смещения —2,1 В.

Однако, когда речь идет о разработке усилителя с повышенным качеством, на первом месте оказывается требование к линейности его характеристики, а максимальное использование по напряжению отходит на второй план. У ламп-триодов, среди всех нелинейных продуктов преобладает вторая гармоника. Основной причиной искажений является неодинаковость усиления на положительном и отрицательном полупериодах усиливаемого колебания. Этот эффект напрямую связан с нелинейностью статических характеристик лампы и проявляется тем сильнее, чем больше амплитуда сигнала. Чтобы максимизировать линейность, поместим рабочую точку в область, где по нагрузочной прямой (по возможности наименьшие) в обе стороны от характеристики соответствующей напряжению смещения равны. В этом случае потребуется подвести положительное напряжение на анод 182 В, одновременно прикладывая — 1,5 В на сетку.

Предположим, что мы выбрали линейный подход, и теперь нужно определить динамический режим или режим переменного каскада по переменному току, чтобы проверить, соответствует ли он нашим потребностям.

Первый, и наиболее очевидный, определяемый параметр — коэффициент усиления по напряжению (A_v) или просто коэффициент усиления каскада. Его легко вычислить, по нагрузочной прямой, найдя ее точки пересечения с двумя статическими характеристиками, расположенными на равном расстоянии влево и вправо от характеристики, соответствующей напряжению смещения. Необходимо найти анодные напряжения, соответствующие этим двум точкам пересечения, а также записать каким сеточным напряжениям соответствуют эти две статические характеристики. Мы сделаем это, найдя равные расстояния по обе стороны от рабочей точки с первым пересечением сеточной кривой, отметив анодное напряжение. Согласно рис. 3.3, если двигаться по нагрузочной прямой от рабочей точки вправо, встретится пересечение с характеристикой, снятой при сеточном напряжении —2 В, при анодном напряжении 220 В. Подобным образом при движении влево от рабочей точки, кривая, соответствующая сеточному напряжению —1В пересекается с нагрузочной линией при 148 В на аноде.

Коэффициент усиления по напряжению (A_v) определяется как отношение разности анодных напряжений к разности сеточных:

Знак минус напоминает, что усилитель является инвертирующим, но обычно для простоты он опускается, поскольку инвертируют большинство каскадов, и абсолютная полярность любого конкретного каскада мало влияет на что-либо.

Следующий важный фактор — максимально неискаженный размах напряжения, или, иначе говоря, динамический диапазон. Теперь требуется, двигаясь по нагрузочной линии влево и вправо от рабочей точки, определить ближайшие ограничения. В рассматриваемом примере (рис. 3.3, 3.5), двигаясь влево от рабочей точки, обратим внимание, что при 148 В напряжение на сетке приближаемся к точке появления сеточного тока. Как уже рассматривалось выше, в следствие того, что источник входного напряжения имеет ненулевое сопротивление, наличие сеточного тока приведет к росту искажений, что является ограничением. В тоже время при движении по нагрузочной прямой вправо, особых ограничений нет до V_a = ВН. К сожалению, это означает, что ограничение по отрицательной полуволне анодного напряжения наступает гораздо раньше, чем по положительной. Это первое важное ограничение. Теперь можно видеть, что максимально неискаженный размах выходного напряжения равен

удвоенному расстоянию от точки смещения до первого ограничения. В этом примере это соответствует 72 В, или амплитуде 36 В, или вычисляя действующее значение синусоидального колебания (то есть разделив амплитудное это значение на коэффициент v2), получим величину 25 В действующего значения напряжения. Полученное значение является максимальным неискаженным синусоидальным напряжением, получаемым на выходе в рассматриваемом режиме.

В случае, если полученная величина максимального выходного напряжения недостаточна, можно попробовать изменить рабочую точку, а в случае, если это невозможно, то и значение сопротивления в анодной цепи, величину ВН. Поскольку, оптимальный режим лампы находится путем подбора вышеперечисленных параметров, для удобства расчетов ламповых каскадов требуется карандаш, прозрачная линейка, ластик и много фотокопий анодных характеристик. Зачастую для поиска такого режима, при котором лампа обеспечит максимальное выходное напряжение при допустимых искажениях, требуется построение 3—5 нагрузочных линий для разных сопротивлений нагрузки и ВН.

Предположим, что выходное напряжение, полученной в предыдущем примере, соответствует требованиям, предъявляемым к каскаду и продолжим его анализ. Следующий очень важный параметр, который необходимо рассмотреть — это выходное сопротивление. Обратимся к рис. 3.6, где изображена одна из возможных эквивалентных схем замещения триода. Здесь он представлен эквивалентным источником напряжения с последовательно включенным внутренним сопротивлением лампы га. Нагрузкой является внешнее нагрузочное сопротивление R_L (R_H). Все эквивалентные параметры по переменному току мы здесь и в дальнейшем будем обозначать строчными буквами. Динамическое внутреннее сопротивление лампы включено параллельно анодной нагрузке и вместе с ней образует эквивалентное выходное сопротивление r_вых.

Рис. 3.6 Эквивалентная схема триода с источником напряжения

Нужно отметить, что значение коэффициента усиления, рассчитанное для каскада по нагрузочной линии уже учитывает уменьшение напряжения, вызванное делителем напряжения, образованным r_а и R_H.

Чтобы найти r_а, вернемся к анодным характеристикам и начертим касательную к статической характеристике, снятой при сеточном напряжении, равно напряжению смещения (рис. 3.7). Нам нужно измерить угол наклона кривой в этой точке. Это можно сделать и без специальных инструментов — с помощью простой линейки. Проведя

касательную, оценим по ней диапазон изменения анодного напряжения, и соответствующий ему диапазон изменения анодного тока, не выходя за пределы поля статических характеристик. Тогда внутреннее сопротивление лампы r_а может быть вычислено следующим образом:

Отметим, что при подстановке в это уравнение величины тока в миллиамперах (мА), результат вычисления сопротивления получается в килоомах (кОм) — это является стандартной практикой, и экономит время. Выходное сопротивление r_вых — это сопротивление параллельного включения r_а и Rh, значение которого равно 47 кОм. Это довольно высокое значение выходного сопротивления, которое зависит от вида статических характеристик лампы и ее эквивалентных параметров. В частности, при использования электронной лампы с большим статическим коэффициентом усиления μ, как правило, получаются большие значения r_а.

Рис. 3.7 Определение динамического внутреннего сопротивления лампы r_а

Информация

Продолжение