Содержание

μ-повторитель

Эта конструкция вызвала значительный интерес, с тех пор как была повторно открыта несколько лет назад. (Нет ничего нового под солнцем.) По существу — это усилитель с общим катодом и активной нагрузкой. В отличие от катодного повторителя, μ-повторитель обладает высоким коэффициентом усиления, что безусловно очень полезно. Пример принципиальной схемы такого повторителя приведен на рис. 3.31.

Рис. 3.31 μ-повторитель

Верхняя электронная лампа — катодный повторитель с автоматическим смещением, вход которого связан через емкость с анодом нижней лампы, включенной с общим катодом. Поскольку катодный повторитель имеет A_v≈ 1 и не инвертирует напряжения, то выходной сигнал, снимаемый с его катода, будет почти равен переменному напряжению на аноде нижней электронной лампы. Разумеется, часть напряжения упадет на резисторах, включенных в катодную цепь верхней лампы. Это напряжение невелико, поскольку верхняя лампа представляет собой активную нагрузку с высоким сопротивлением, а значит, и ток будет невелик. Нижняя лампа достигает коэффициента усиления по напряжению A_v≈μ (что и послужило выбором названия такого повторителя), и она дает мало искажений (r_a теперь уже не является составным элементом). Одним из достоинств такого каскада является то что, имеются два выходных напряжения, либо прямой выход с нижнего анода, либо низкоомный выход катодного повторителя. Тем не менее, нужно отметить, что большое сопротивление активной нагрузки фактически имеется только по переменному току, поскольку конденсатор связи в цепи сетки верхней лампы образует фильтр верхних частот вместе с входным сопротивлением (как известно высоким) катодного повторителя.

Исходя из вышесказанного, верхняя лампа является эквивалентным источником неизменяемого тока (по крайней мере по переменному току). Тогда можно с полным на то основанием начертить нагрузочную линию для нижней лампы в виде горизонтальной прямой (рис. 3.32).

Рис. 3.32 Нагрузочная прямая для нижней лампы μ-повторителя

Это пример нагрузочной линии по переменному току, где ее наклон не связан с режимом по постоянному тока, хотя она должна приходить через рабочую точку (точку покоя) по постоянному току Можно перемещать эту линию в любую рабочую точку — которая будет наиболее целесообразной. Если, например, выбрать ток анода 2 мА, и величину постоянного напряжения на аноде нижней лампы 80 В, то это даст μ = 32,5, и поэтому можно ожидать, что коэффициент усиления будет = 32.

Теперь нужно определить рабочую точку для верхней лампы. Пусть, например, такой составной каскад питается от источника высокого напряжения 285 В. Когда мы будем обсуждать питающие напряжения, то увидим почему 285 В является очень удобной величиной. Исходя из того, что к аноду нижней лампы должно быть приложено 80 В, то между анодом и катодом верхней лампы должно упасть 205. Поскольку токи анодов обеих ламп равны, то и анодный ток верхней лампы также должен быть 2 мА. Если теперь отметить на статических характеристиках нужное анодное напряжение для верхней лампы, то можно начертить нагрузочную линию. В точке V_a = 0 будет ток 3,25 мА, который соответствует 63 кОм общей катодной нагрузки для верхней лампы. Напряжение смещения V_ск верхней лампы равно 2,5 В, в силу чего для I_a = 2 мА необходим резистор катодного смещения 1,25 кОм. Таким образом, режим каскада по постоянному току установлен.

Так как коэффициент усиления катодного повторителя, известен, можно определить величину активной нагрузки, которая ему соответствует, и найти его входное сопротивление, что позволит выбрать подходящее значение емкости разделительного конденсатора.

Из нагрузочной линии видно, что коэффициент усиления без учета применения обратной связи равен 29. Таким образом коэффициент усиления катодного повторителя будет 29/30, что равно 0,97. Для нижней электронной лампы анодная нагрузка составляет:

Это дает величину ≈ 2 МОм, так что наши ранее высказанные предположения о коэффициенте усиления и линейности нижнего каскада были вполне оправданы. Можно использовать ранее приведенную формулу, чтобы определить входное сопротивление на сетке катодного повторителя:

Она дает входное сопротивление =19 МОм. Если от фильтра нижних частот, образуемого разделительным конденсатором требуется частота среза 1 Гц, то значение разделительной емкости в 10 нФ является вполне соответствующим. Величина необходимого сопротивления резистора катодного смещения нижней лампы была вычислена обычным способом.

Большое значение сопротивления нагрузки нижней лампы делает в настолько малым, что уменьшение коэффициента усиления из-за отрицательной обратной связи является незначительным. Тем не менее, все равно нужно использовать развязывающий конденсатор, иначе повышается анодное сопротивление нижней лампы. Увеличение эквивалентного анодного сопротивления лампы является нежелательным, поскольку в этом случае увеличивается шунтирующий эффект выходной паразитной емкости, а также увеличиваются шумы, такие как индуцированные помехи от источника промышленной частоты и собственные шумы резисторов.

Чрезвычайно полезно такое преимущество μ-повторителя — его достаточно высокая защищенность от шума источника питания, характеризуемая так называемым коэффициентом реакции питающего напряжения (Power Supply Rejection Ratio — PSRR). На выходе любого усилителя с общим катодом его можно найти из следующего выражения:

Эта формула вполне прозрачна, поскольку что r_а образует делитель напряжения c R_H. Для максимального подавления шума источника питания и пульсаций, R_H должно быть как можно больше по сравнению с r_а. Пентод имеет r_a > R_h и, следовательно, не подавляет шум источника питания.

Катодная отрицательная обратная связь по переменному току (возникающая при отсутствии развязывающего конденсатора) значительно увеличивает r_а, но не уменьшает общий коэффициент усиления на пропорциональную величину, и, следовательно, нарушает подавление шума источника питания. В рассматриваемом примере, га нижней лампы = 6 кОм, активная нагрузка = 2 МОм, что дает 50 дБ подавления шума источника питания, но устранение шунтирования развязывающим конденсатором поднимет га нижней лампы до 47 кОм, и уменьшит подавление помех от источника питания до 33 дБ, несмотря на то, что коэффициент усиления почти не изменяется.

Строго говоря, нужно включать такие потери катодного повторителя в любой расчет коэффициента усиления при низком выходном сопротивлении (А_общ = μ * А_{катодного повторителя}), что даст коэффициент усиления равный 31,5 в рассматриваемом примере.

Информация

Продолжение