|
Названный по имени изобретателя, катодный повторитель Уайта является основой всех выходных бестрансформаторных усилителей
мощности, потому что он имеет низкое выходное сопротивление. Схема имеет два варианта — один независимый, второй требует
внешнего фазорасщепителя.
Начнем обсуждение повторителей Уайта с независимой схемы (рис. 3.29). На нижнюю лампу сигнал подается с верхней лампы,
которая, в свою очередь, связана с цепью катод/сетка верхней электронной лампы. На входе нижней электронной лампы схема
может рассматриваться как каскодный усилитель.
Этот коэффициент усиления будет использован для уменьшения выходного сопротивления на катоде верхней электронной лампы:
При условии, что м достаточно большой и катодный резистор хорошо зашунтирован емкостью:
Объединив эти уравнения, получим:
μ обычно намного больше 1, даже для мощных триодов, и если мы подставим μ = gm * ra (исходя
из лампового уравнения Баркгаузена):
или
Рис. 3.29 Независимый катодный повторитель Уайта
Теперь можно представить сопротивление, в виде инвертированного параллельного соединения R и rа.
Это является важным, потому что показывает, что имеется точка за пределами которой увеличение R не влияет на конечное
выходное сопротивление, и оно ограничено rа:
Где:
Нужно отметить, что для получения этого результата были сделанные два довольно сомнительных приближения, оба основаны
на большом μ. Пример на рис. 3.29 был оптимизирован для низкого выходного сопротивления r ≈ 10ra
— за пределами этой границы нет практически оправданных применений этого варианта.
При внешнем различии, независимый катодный повторитель Уайта и двухламповый каскад SRPP, описанный позже,
являются параллельно управляемыми усилителями, потому что две электронные лампы вносят свой вклад в переменный ток нагрузки.
Точные уравнения коэффициента усиления и выходного сопротивления катодного повторителя Уайта, выведенные Амосом и Брикшоу:
где μ1, — это верхняя (усиливающая) электронная лампа, a μ2 — нижняя
(управляющая) электронная лампа.
Используя, в качестве примера, лампу Е88СС с gm = 5 мА/В и μ = 32, приблизительное уравнение дает rвых
= 6,9 Ом, а точное уравнение прогнозирует rвых = 6,7 Ом. Экспериментирование со спецификациями показывает,
что этот вариант катодного повторителя Уайта негоден для лампы с малым μ, поскольку, например, лампа 6080 (μ
= 2) дает rвых = 35 Ом, что хуже, чем при использовании стандартного катодного повторителя (rвых
≈15 Ом). Тем не менее, соединенный по схеме триода пентод E55L (μ = 30) дает rвых
< 2 Ом, а соединенный по схеме триода пентод D3A(μ = 80) может достичь rвых < 1 Ом. Легко воодушевиться
низким прогнозируемым выходным сопротивлением, но всегда нужно помнить, что все расчетные уравнения содержат подразумеваемое
допущение, что выходное сопротивление источника питания равно 0 Ом, что на практике обычно достигается применением управляемого
источника питания.
Поскольку в патенте Уайта сказано, что схема особенно хорошо подходит для управления аналоговыми видеокабелями (линии
передач, которые обычно имеют волновое сопротивление 75 Ом), то не удивительно, что каскад превосходно подходит и для выходного
кабеля предусилителя.
Заметим, что из-за обратной связи по переменному току, которая снижает выходное сопротивление, выходное сопротивление
повышается на низких частотах не до 1/gm, а до:
В этом примере, rвых повышается до 1,5 кОм, вместо 200 Ом, которые получаются в обычном катодном повторителе.
Практическое значение этого явления— каскад не будет таким эффективным коротким замыканием индуцированному шуму в выходном
кабеле (например, помеха от сети электроснабжения), как каскад с выходным сопротивлением 6 Ом от постоянного тока до световых
частот.
Обычно нет необходимости точно вычислять коэффициент усиления Av, и общее приближение для катодного
повторителя Av = μ /( μ + 1) в достаточной мере точно, но в ряде случаев
(например, если усилитель используется как основа фильтра Sallen & Key) бывает необходим и точный расчет коэффициента
усиления.
Основное использование катодного повторителя Уайта — это выходной каскад бестрансформаторных усилителей. Последовательно
включенный резистор в анодной цепи (по сути в цепи питания) является серьезной причиной потери мощности, поэтому рассмотренные
выше варианты усилительных каскадов (в том числе и независимый повторитель Уайта) в качестве оконечных каскадов не применяется.
Для усилителя мощности гораздо более пригоден вариант катодного повторителя Уайта с предшествующим фазорасщепителем (рис.
3.30). Здесь (аналогично двухтактным усилительным каскадам), входные напряжения, поступающие на две лампы, сдвинуты относительно
друг друга по фазе на 180°С (то есть на полпериода).
В цепи анода верхней электронной лампы больше нет резистора, поэтому rк = 1/gm, и
это будет анодная нагрузка нижней электронной лампы. Заменяем:
Предполагая, что обе лампы отперты при любом уровне входного сигнала, коэффициент усиления нижней электронной лампы равен:
Рис. 3.30 Симметричный вход катодного повторителя Уайта
Умножаем на gm и упрощаем:
Точно такой же коэффициент усиления будет обеспечивать катодный повторитель при условии RK = ∞.
Поскольку выходной сигнал нижней лампы точно такой же, как у обычного катодного повторителя и если для нее RK
= ∞, то можно положить напряжениях обеих ламп одинаковыми. Таким образом, и для верхней лампы RK
= ∞. Тем не менее, следует напомнить, что входной сигнал нижней лампы должен быть инвертирован (сдвинут по фазе
на 180°С относительно входного сигнала верхней лампы), что требует применения внешнего фазорасщепителя (фазоинвертора).
Нижняя лампа больше не уменьшает выходное сопротивление верхней электронной лампы, поскольку с коэффициентом усиления
равным 1 она не может создать обратную связь с верхней лампой, вот почему выход бестрансформаторных усилителей требует
сильной глобальной обратной связи, чтобы снизить выходное сопротивление до подходящей величины, и чтобы демпфировать
подвижные катушки громкоговорителей.
|
