Содержание

Работа с сеточным током и нелинейные искажения

Большинство усилителей класса А работают при полном отсутствии сеточного тока, потому что это дает малые искажения и высокое сопротивление сеточной цепи, которое легко управляемо. Когда напряжение между сеткой и катодом становится положительным, то, вместо того, чтобы отталкивать электроны, управляющая сетка начинает их притягивать. Большая часть электронов при этом захватывается анодом, который имеет намного более высокий потенциал, но часть электронов все же притягиваются сеткой, создавая сеточный ток. Наличие сеточного тока имеет важные последствия:

• поток электронов с катода разделяется между сеткой и анодом, вызывая шум токораспределения. Тем не менее, наиболее вероятно использование режима с сеточными токами (режима класса А2) в выходном каскаде усилителя мощности, где напряжение сигнала велико, и по этой причине маловероятно, что этот собственный шум лампы будет проблемой;

• поскольку имеется разность потенциалов между сеткой и катодом, и существует сеточный ток, по этой причине на сетке должна рассеиваться тепловая мощность так же, как и на аноде. Если сетка не рассчитана для рассеивания на ней мощности, она быстро перегреется, ее конструкция деформируется и воз можно разрушение электронной лампы;

• так как входное сопротивление сеточной цепи при наличии сеточного тока становится низким, приложение требуемого напряжения сигнала на сетку требует существенной мощности (Р = VV#), которая должна развиваться предшествующим каскадом усилителя, что требует повышения его мощности по сравнению с работой последующего каскада без сеточного тока;

• за счет того, что при наличии сеточного тока, напряжение между сеткой и катодом по большей части периода положительное, то может быть слегка уменьшено напряжение на аноде, так как потребуется меньшее ускоряющее поле, нежели чем при отрицательном напряжении на сетке, тормозящем электронный поток. Коэффициент полезного действия каскада, таким образом, увеличивается, в силу снижения мощности, потребляемой анодной цепью от источника высоковольтного питания.

Предоконечные каскады усилителя мощности, работающие в режиме класса А1 являются усилителями напряжения, которым необходим только достаточный ток, чтобы заряжать и разряжать емкость Миллера выходного каскада, но предоконечный каскад усилителя мощности, работающий в режиме класса А2 должен обеспечивать значительную мощность возбуждения мощность. Существуют два способа обеспечения этой мощности.

Одним из возможных вариантов выбора ламп для такого каскада является сдвоенный триод типа 6N7 с общим катодом, который может работать как двухтактный или как несимметричный, — с двумя триодами в параллель, чтобы удвоить полезную мощность. Трансформатор пересчитывает полное сопротивление нагрузки, с коэффициентом п² раз, поэтому понижающий трансформатор с коэффициентом трансформации 2:1 будет увеличивать полное сопротивление нагрузки относительно предыдущего каскада в четыре раза. Так как трансформатор в цепи анода лампы теоретически позволяет достигать удвоенного значения высоковольтного питающего напряжения в цепи анода лампы, необходимо соответствующе выполнять элементы цепи и сам трансформатор. Кроме того, низкое сопротивление вторичной обмотки по постоянному току усугубляет проблему отвода тепла в сеточной цепи выходного каскада, вследствие возможных больших токов при определенных схемотехнических решениях. К сожалению, хорошие задающие (межкаскадные) трансформаторы зачастую более сложно разрабатывать, чем выходные трансформаторы, так как они работают при более высоких эквивалентных сопротивлениях.

В качестве альтернативы, каскад класса А2 может быть подключен к цепи сопряжения по постоянному току катодного повторителя. Мощная лампа при этом по-прежнему требуется, но она больше не должна обеспечивать столь высокое выходное напряжение, как в предыдущем примере. Мощные лампы с рамочной сеткой, которые имеют большую крутизну характеристик, но низкое предельно-допустимое напряжение на аноде, например, тип 6С45П и тип E55L, являются идеальными в качестве мощных катодных повторителей. К сожалению, электронные лампы с рамочной сеткой имеют современные, эффективные нити накала, падение напряжения на которых невелико, что может вызывать определенные трудности, если каскаду класса А2 требуется значительный размах сеточного напряжения. Чтобы корректно согласовать каскад класса А2, катод катодного повторителя должен находиться под небольшим положительным потенциалом, но необходимо довольно большое значение сопротивления нагрузки R_H, чтобы гарантировать линейность катодного повторителя. В этом случае очень целесообразно отрицательное питающее напряжение (рис. 4.11).

Рис. 4.11 Использование связанного по постоянному току мощного катодного повторителя для возбуждения каскада, работающего в режиме класса А2

Более подробно вопросы построения выходных и предоконечных каскадов усилителей мощности, будут рассмотрены далее.

Оба предыдущих решения предполагают низкое выходное сопротивление, но оно не является близким к нулю. Так как эквивалентное выходное сопротивление r_вых ≈ 0, оно образует делитель напряжения с входным сопротивлением каскада класса А2, вызывая затухание входного сигнала. Вследствие низкого выходного сопротивления, надобность в применении приемника неизменяющегося тока (стабильной токовой нагрузки) в катодном повторителе отсутствует. Если в определенный момент времени напряжение между сеткой и катодом становится отрицательным, то сеточный ток прекращается и полное входное сопротивление каскада класса А2 становится бесконечно большим. При этом затухание входного сигнала прекращается. В этом случае будут иметь место существенные нелинейные искажения. Следует подвести некоторый итог: в то время, как при работе в режиме класса А1 сеточный ток должен отсутствовать при любой амплитуде входного сигнала, то при работе в режиме класса А2, сеточный ток должен существовать в при любой амплитуде входного сигнала. Не соблюдение этой рекомендации, чревато существенными нелинейными искажениями в усилителе.

Уменьшение искажений ограничением эквивалентной нагрузки

Не смотря на то, что триоды генерируют, главным образом, нелинейные искажения по 2-й гармонике, — любые искажения вредны по своей природе. Искажения усилителя на триоде определяются преимущественно несимметрией положительного и отрицательного периодов усиливаемого сигнала, вызываемого нелинейностью статических характеристик лампы. Так как внутренне сопротивление лампы r_а меняется с изменением тока, протекающего через лампу, коэффициент ослабления делителя напряжения образованного r_а и анодной нагрузкой R_H изменяется, вызывая неодинаковое усиление положительного и отрицательного полупериодов сигнала. Тем не менее, имеются способы уменьшения таких искажений:

• увеличение значения резистора анодной нагрузки R_H. Если R_H >> r_a, то изменение затухания, создаваемого образуемым этими сопротивлениями делителя напряжения становится несущественным, потому что само затухание становится небольшим;

• поддержание анодного тока I_a постоянным, таким образом, внутренне сопротивление лампы r_а не сможет изменяться. Это означает, что очень полезным является применение активной нагрузки, например, источника неизменяющегося тока, что является основой μ-повторителя.

Эти два метода на самом деле очень похожи, так как оба стремятся обеспечить выполнение условия R_H >> r_a (для идеального источника неизменяющегося тока, r_{внутреннее} = ∞). В среднем, для заданного напряжения питания и среднего анодного тока I_a, применение активной нагрузки в виде источника неизменяющегося тока выполненного на одной электронной лампе, позволяет уменьшить искажения на коэффициент = 7.

Когда используется рассмотренные методы уменьшения искажений, нагрузочная линия по переменному току усилительной лампы становится близкой к горизонтальной прямой. Когда анодная нагрузка (резистор или активная нагрузка) велика r_H > 50r_a, то величина анодного напряжения V_a, падающего на лампе, довольно велика, и внутренний статический коэффициент усиления лампы μ практически постоянен. Нелинейная зависимость μ и V_a от анодного тока вызвана нелинейностью статических характеристик лампы и вызывает нелинейные искажения. Это влияние может быть уменьшено в каскадах с активной нагрузкой, предотвращением работы при низких анодных токах I_a, когда анодные статические характеристики лампы начинают «сходиться» и становятся существенно нелинейными. Также полезно выбирать такие лампы, у которых нелинейность этой области статических характеристик минимальна, см. рис. 4.12.

Рис. 4.12 Статические характеристики ламп с различной степенью нелинейности в области малых анодных токов

«Схождение» и существенная нелинейность анодных статических характеристик в области малых анодных токов вызвано неминуемой неоднородностью электрического поля между витками сетки и в области сетка-катод. Вид статических характеристик лампы существенно зависит от конструкции ее управляющей сетки. С точки зрения линейности, гораздо луче лампы, у которых сетка намотана большим количеством тонких витков (пунктирные кривые на рис. 4.12), нежели небольшим количеством толстых (сплошные кривые на рис. 4.12).

К сожалению, когда провод, образующий витки сетки становится более тонким, он становится более склонен к деформациям и вибрациям. В этом случае очень помогает специальный каркас для сетки, который позволяет использовать для намотки провод произвольной толщины, — вот почему электронные лампы, например, такие как Е88СС, и, в особенности, 6С45П, обладают достаточно линейными статическими характеристиками и малыми искажениями.

В качестве альтернативы поддержанию неизменным анодного тока, теоретически возможным поддерживать постоянным напряжение между анодом и катодом V_a. Ясно, что это не может быть реализовано, если каскад обладает усилением по напряжению, но катодный повторитель (рис. 4.13) может одновременно обеспечивать неизменными как анодный ток I_a, так и анодное напряжение V_a.

Рис. 4.13 Катодный повторитель обеспечивает неизменяемые I_а и V_a

На схеме, представленной на рис. 4.13, средняя электронная лампа является катодным повторителем. Нижняя электронная лампа является традиционным приемником неизменяющегося тока на пентоде, который обеспечивает постоянный I_a в катодном повторителе. Верхняя лампа также катодный повторитель, и должна иметь высокие значения статического внутреннего коэффициента усиления ц и крутизны gm. Таким образом, лампа типа 6С45П (μ= 52) является очень подходящей. Верхняя электронная лампа имеет высокое полное сопротивление нагрузки, поэтому ее коэффициент усиления равен:

Сетка верхнего катодного повторителя связана по переменному току с выходом среднего катодного повторителя, и так как его коэффициент усиления почти единица, на его катоде обеспечивается практически такой же потенциал по переменному току, как и на его сетке. Таким образом, даже когда на катоде среднего катодного повторителя изменяется напряжение, верхний катодный повторитель побуждает его анод поддерживать практически неизменное напряжение, причем, неизменяемое анодное напряжение V_a будет поддерживаться одновременно с неизменяемым анодным током I_a

К сожалению, подобное усовершенствование сопровождается существенными издержками:

• возрастает требуемое напряжение высоковольтного питания верхнего катодного повторителя;

• необходим третий источник питания нити накала (для верхнего катодного повторителя), находящийся под высоким постоянным потенциалом;

• катодные повторители уже сами по себе склонны к неустойчивости, и компенсационная обратная связь одного анода с выходом другого вызывает дополнительные проблемы с устойчивой работой каскада и усилителя в целом.

Уважаемый читатель может иметь иное мнение, но автор уверен, что тщательно разработанный катодный повторитель, с пентодной схемой стабильного тока, безусловно сложен в отладке и тестировании.

Информация

Антивирусная помощь

Факультет электроники и вычислительной техники: ВолгГТУ

ИТ Аутсорсинг - Лучшее Абонентское Обслуживание компьютеров в СПб

Ремонт сотовых телефонов и ноутбуков.

Продолжение