Содержание

Катодное смещение

После выбора рабочей точки и оценки динамических характеристик каскада усиления, необходимо рассмотреть способы его практической реализации. Самым трудоемким является построение цепи смещения.

Первый вариант — использовать в качестве источника смещения аккумулятор, как и было сделано в вышеописанном примере. Однако вряд ли удобно разбирать усилитель в процессе эксплуатации, чтобы этот аккумулятор менять. Тем не менее, литиевые аккумуляторы, имеющие срок годности при хранении десять лет, теперь легко доступны, поэтому замена аккумулятора может быть менее частой, чем замена электронной лампы. Учитывая, что при работе с нулевым током сетке (что, как уже обсуждалось выше, является необходимым условием хорошей линейности) через этот аккумулятор ток не течет, его заряд будет сохраняться неизменным в течение длительного времени.

Другой способ подачи сеточного смещения — применить вспомогательный источник питания отрицательной (по отношению к анодному) полярности, и используя делители напряжения, подавать напряжения смещения на отдельные электронные лампы. Этот способ часто применяется в каскадах усиления мощности, но может приводить к ухудшению устойчивой работы малосигнальных каскадов, в следствие возникновения обратных связей через общие цепи смещения.

Альтернативным методом является катодное автосмещение — установка резистора катодного смещения между катодом и землей, и соединение сетки с землей через сопротивление в цепи сетки. Теперь, за счет протекания катодного тока, потенциал катода становится положительным, а сетка просто соединяется с землей через резистор (по-прежнему препятствующий закорачиванию на землю источника сигнала). Удобно, что теперь на сетке нулевой потенциал, поэтому больше нет необходимости во входном разделительном конденсаторе (рис. 3.8).

Рис. 3.8 Напряжение смещения в цепи катода (катодное смещение)

Проанализируем работу каскада с катодным автосмещением подробнее, предполагая, что сеточные токи отсутствуют.

Первоначально, пока ток через электронную лампу не течет, не будет и падения напряжения на резисторе катодного смещения, то есть на катоде будет нулевое напряжение. Постоянно напряжение на сетке также нулевое и при отсутствии входного сигнала, мгновенное напряжение между сеткой и катодом V_CK должно быть также нулевым. При подаче анодного питания это вызовет большой ток через электронную лампу. Это ток — ток анода (который в триоде при отсутствии тока сетки равен катодному току), который пройдет через резистор катодного смещения, вызывая падение напряжения на нем. Это падение напряжения вызывает повышение катодного напряжения, V_ck понижается, и тока анода уменьшается. Если на катоде относительно земли падает положительное напряжение, а на сетке относительно земли напряжение нулевое, это равносильно тому, что на сетке относительно катода напряжение отрицательное.

Мы знаем, что катодное напряжение равно по модулю требуемому напряжению смещения 1,5 В, поэтому сопротивление резистора катодного смещения будет равно:

Итак, мы знаем рабочую точку, следовательно, знаем ток анода, и отсюда — ток катода (равный анодному, поскольку сеточный ток отсутствует). Мы знаем необходимую величину напряжения смещения V_ck. Выяснили и то, что если на сетке нулевое напряжение, то на катоде нужно обеспечить положительное напряжение, равное + V_ck. Если известно напряжение на концах неизвестного резистора и ток через него, то простым использованием закона Ома найдем величину резистора. В рассматриваемом примере выбранной рабочей точке соответствует анодное напряжение 182 В. Теперь можно непосредственно найти точное значение тока анода, используя закон Ома.

Снова отметим, что в эту формулу значение тока подставляются в миллиамперах (мА), а результат расчета сопротивления получается в килоомах (кОм).

Теперь рассмотрим какое влияние на режим работы лампы по переменному току оказывает резистора катодного автосмещения.

Из рассмотренного выше принципа катодного автосмещения очевидно, что чем больше будет величина анодного (и соответственно катодного) тока через лампу, тем к большему падению напряжения на катодном резисторе это приведет, и тем большая величина отрицательного смещения будет приложена между сеткой и катодом лампы. Глядя на статические характеристики лампы (выходные, либо проходные), легко заметить, что чем более отрицательное напряжение смещения на сетке, тем меньше будет величина анодного тока. Таким образом, изначальный рост анодного тока, за счет катодного резистора в результате привел к уменьшению этого же тока. Это явление называется отрицательной обратной связью по току, которая возникла именно благодаря включению катодного резистора. Но поскольку в нашем усилительном каскаде возникла обратная связь, то ее наличие не может не сказаться на режим работы каскада по переменному току — на коэффициент усиления и выходное сопротивление. Удобно применить универсальное уравнение обратной связи, чтобы определить влияние, которое окажет катодный резистор на каскад:

Это уравнение позволяет вычислить коэффициент усиления усилителя с обратной связью, если известен его коэффициент усиления без обратной связи А₀, а также коэффициент передачи цепи обратной связи. Коэффициент обратной связи (3 в этом случае равен отношению RK/RH, поэтому:

Итак, после введения катодного резистора, коэффициент усиления каскада будет значительно уменьшен. Рассмотрим его влияние на входное и выходное сопротивление. Рассматриваемый резистор включен последовательно в цепь катода, являющегося общим электродом и для входной, и для выходной цепи. Таким образом, обратная связь является последовательно снимаемой и последовательно приложенной, поэтому она увеличивает входное и выходное сопротивления. Поскольку входное сопротивление лампы фактически бесконечно (вследствие отсутствия сеточного тока, то оно таковым и останется, а внутреннее сопротивление лампы га возрастет, что приведет к росту выходного сопротивления усилителя.

Приведенное выше уравнение обратной связи очень удобно для оперативного нахождения нового коэффициента усиления, однако его не так легко использовать для вычисления нового r_a.

Поскольку выходная цепь каскада довольно проста, то помня свойства статического коэффициента усиления лампы, нетрудно вычислить и эквивалентное значение внутреннего сопротивления цепи анод — корпус (земля) с учетом влияния катодного резистора по следующей формуле:

Итак, значение r_а повышается от 65 кОм до 223 кОм. С учетом параллельного включения лампы с R_H это дает новое выходное сопротивление в 98 кОм, против 47 кОм исходных. Нетрудно заметить, что можно сперва вычислить новое значение r_а, а затем подставить его в стандартную формулу для расчета коэффициента усиления, чтобы определить его новое значение, получив тот же самый результат, что и через уравнение обратной связи:

Важно понять, что обратная связь за счет катодного резистора воздействует только на внутренне сопротивление r_а электронной лампы. Сопротивление анодной нагрузки R_H на обратную связь никакого влияния не имеет, поскольку является для цепи обратной связи внешним.

Оценивая новое значение коэффициента усиления и выходное сопротивление каскада, нетрудно заметить, что с введением катодного резистора показатели каскада ухудшились. Если это не удовлетворяет требования разработчика, то можно либо выбрать новое значение R_H и подобрать новую рабочую точку, либо выбрать новую электронную лампу, либо отказаться от катодного смещения и использовать другие способы его подачи. Но гораздо лучше применить более практичный способ — исключить влияние отрицательной обратной связи по переменному току, вызываемой катодным резистором, сохраняя при этом само катодное автосмещение. С этой целью катодный резистор шунтируется блокировочным (развязочным) конденсатором.

Механизм влияния катодного резистора на коэффициент усиления каскада по сути заключается в том, что на нем падает переменного напряжения за счет протекания переменных составляющих анодного тока (напомним, что анодный ток становится переменным в результате воздействия переменного входного напряжения между сеткой и катодом). Это переменное напряжение существенно уменьшает влияние на анодный ток входного переменного напряжения, поскольку вычитается из него.

Таким образом, чтобы избежать уменьшения коэффициента усиления каскада, нужно исключить падение переменного напряжения на цепи катодного автосмещения, необходимо параллельно катодному резистору включить блокировочный конденсатор с малым реактивным сопротивлением на частотах полезного сигнала, обеспечивая протекание переменного тока в обход катодного резистора на землю. Вместе с катодным сопротивлением, этот конденсатор образует локальный фильтр нижних частот, закорачивая переменные токи. Таким образом, отрицательная обратная связь остается только по постоянному току, а по переменному исчезает (рис. 3.9).

Разумеется, реактивное сопротивление разделительного конденсатора на частотах полезного сигнала должно быть во много раз меньше, чем величина катодного резистора, однако неплохо учесть и то, что параллельно этому резистору включена еще и анодная цепь лампы, образованная ее внутренним сопротивлением и параллельно включенными сопротивлениями анодной нагрузки R_a и R_H. Поскольку внутренне сопротивление источника ВН близко к нулю, по переменному току верхний вывод резистора R_a соединен с землей. В этом случае, сопротивление выходной цепи лампы (или, иначе говоря, кажущееся сопротивление со стороны катода), включенное по переменному току параллельно катодному резистору, можно вычислить по следующей формуле:

Или, подставляя конкретные значения в эту формулу, то получим:

Рис. 3.9 Катодная развязка

Находя параллельное включение рассчитанной величины с резистором катодного смещения 1,56 кОм, получим общее сопротивление цепи, подключаемой параллельно катодному блокировочному конденсатору rк = 946 Ом. Теперь необходимо определиться с величиной самого блокировочного конденсатора. Помня, что реактивное сопротивление конденсатора возрастает при уменьшении частоты, становится очевидным, что минимально необходимое реактивное сопротивление этого конденсатора нужно обеспечить на минимальной частоте полезного сигнала.

В звукозаписывающей и звуковоспроизводящей аппаратуре высокого класса качества, обычно нижняя граница диапазона эффективно воспроизводимых частот составляет 20 Гц (хотя, например, 32-футовый орган производит и более низкие частоты — вплоть до 16 Гц) — современные цифровые источники звуковых сигналов, безусловно, способны выдавать эти частоты, а большие громкоговорители могут их воспроизвести. Таким образом, необходимо обеспечить относительно малое сопротивление катодного блокировочного конденсатора на частоте 20 Гц, так как в противном случае, коэффициент усиления каскада на низких частотах (басах) будет понижен. Не следует забывать и о том, что усилители как правило многокаскадные, и на общую АЧХ усилителя оказывают влияние все каскады, поэтому требования к каждому из них обычно несколько выше, чем ко всему усилителя в целом. Также доказано, что хорошее усиление в области низких требуется не только для обеспечения требуемой неравномерности АЧХ всего усилителя, но и минимизировать влияние блокировочных и разделительных конденсаторов на фазочастотную и переходную характеристики усилителя. Наконец, не нужно забывать, что на столь низких частотах емкость блокировочного конденсатора как правило оказывается очень большой, и в качестве этого конденсатора приходится устанавливать электролитические, у которых обычно разброс емкости достигает 20—60%. Исходя из вышеперечисленных факторов, фильтр, образованный катодным резистором и катодным блокировочным конденсатором чаще всего разрабатывается с большим запасом по частоте среза. Так, в наиболее качественных усилителях частоту среза этого фильтра выбирают около 1 Гц. Исходя их этого, необходимую емкость катодного блокировочного конденсатора можно вычислить следующим образом:

Отметим, что здесь величина катодного сопротивления подставляет в Омах, а величина емкости катодного конденсатора получается в фарадах. Ближайшее стандартное значение конденсатора к емкости 170 мкФ — это 220 мкФ. Еще раз заметим, что необходима довольно большая емкость. Иногда встречаются электронные лампы и с более низким сопротивлением r_к. В этом случае требуется, соответственно, конденсатор еще большей емкости.

Информация

Продолжение