Содержание

Проблемы смещения по постоянному току

Рис. 4.14 Проверяемые схемы для сравнения искажений

Обратимся теперь к различным способам создания напряжения смещения и сравним их с точки зрения нелинейных искажений, возникающих в усилительных каскадах в следствие неидеальности цепей смещения. Итак, выбрав с большой тщательностью наилучшую топологию каскада, выбираем рабочую точку, которая искусно максимизирует размах выходного напряжения, минимизирует искажения, использует стандартные значения компонентов, и, разумеется режим каскада при этом таков, что легко обеспечивается реальным источником питания. Теперь необходимо выбрать способ создания напряжения смещения каскада, что может быть осуществлено несколькими способами:

• с помощью катодного резистора автосмещения;

• внешнее сеточное смещение;

• катодное смещение с перезаряжаемым аккумулятором;

• катодное смещение с диодом;

• катодное смещение с приемником неизменяющегося тока.

Автосмещение катодным резистором

Очень часто в усилительных каскадах небольшой мощности напряжение смещения получают установкой резистора в цепь катода. Схема такого каскада усиления приведена на рис. 4.15.

Рис. 4.15 Катодное смещение с использованием резистора

При отсутствии тока управляющей сетки, ее потенциал по постоянному току равен нулю. Если анодный ток лампы увеличивается, то катодный ток, протекающий через резистор автосмещения R_K, также повышается, делая потенциал катода более положительным по отношению к сетке, поскольку на катодном резисторе при протекании тока всегда будет падать определенное напряжение согласно закону Ома. Таким образом, при возрастании анодного тока будет увеличиваться потенциал катода, а поскольку потенциал сетки постоянный и нулевой, то нулевое сеточное напряжение относительно положительного катодного оказывается существенно ниже. Это эквивалентно отрицательному запирающему напряжению смещения на сетке, благодаря чему лампа будет закрываться, и анодный ток снижаться. Таким образом, с ростом тока, падение напряжения на катодном резисторе будет возрастать, потенциал сетки относительно потенциала катода будет уменьшаться, лампа будет запираться, что приведет к падению анодного тока. Это значит, что включение катодного резистора приводит к возникновению отрицательной обратной связи по току. Этот метод автоматического смещения имеет наименьшую чувствительность к разбросу между лампами, что делает его наиболее популярным. Зная величину анодного тока I_a и требуемое напряжение смещения V_ск, применяя закон Ома, легко определить требуемый катодный резистор, поскольку сеточный ток, как правило, отсутствует.

Тем не менее, введение сопротивления в цепь катода усилителя с общим катодом создает отрицательную обратную связь и по переменному току, которая уменьшает коэффициент усиления, что может быть неприемлемо. Традиционное решение — шунтировать катодный резистор конденсатором большой емкости, который является коротким замыканием на звуковых частотах. Тогда катод окажется соединен с общим проводом по переменному току и отрицательная обратная связь по переменному току предотвращается. Обычно приводятся доводы, что звуковой диапазон частот лежит в пределах от 20 Гц до 20 кГц, и что аудио электроника должна быть близка к совершенству в пределах этой полосы. Электролитический развязывающий конденсатор большой емкости, шунтирующий катодный резистор автосмещения не должен оказывать фильтрующее действие в звуковом диапазоне, по этой причине его значение обычно выбирается, чтобы обеспечить частоту среза RC цепи f_-3дБ = 1 Гц.

При расчете автосмещения каскада, мы делаем предположение, что напряжение сигнала достаточно небольшое, чтобы оно не влияло на режим каскада постоянного тока. Тем не менее, при приближении к отсечке, пик-пиковое напряжение сигнала на аноде триода может быть сотни вольт, и искажения (делающие форму анодного напряжения несимметричной) приводят к снижению среднего значения анодного напряжения V_a. Изменение среднего значения анодного напряжения, неизбежно приведет и к изменению постоянной составляющей анодного тока.

В качестве примера, был испытан усилитель на триоде с общим катодом. Когда сигнал на входе отсутствовал, среднее значение анодного напряжения, измеряемого вольтметром постоянного напряжения, подключенным к аноду лампы, составляло V_a= 117,1 В, но когда на каскад подавался чрезмерно большой уровень входного сигнала, вызывавший нелинейные искажения 5% СКГ + Ш, среднее значение анодного напряжения падало до 114,2 В, и изменялось среднее значение тока анода. Изменение среднего значения тока анода также частично вызывается и шунтирующим катодным конденсатором. Поскольку частота среза катодной КС-цепи f_-3дБ ≈ 1 Гц, это означает постоянную времени τ ≈ 160 мс. Когда происходит перегрузка усилителя, конденсатору требуется время 5 τ ≈ 1 с для восстановления предыдущего значения (то есть до перегрузки) точки смещения с точностью 99%. За это время внутренне сопротивление лампы r_а (которое зависит от I_а) изменится, немного изменяя и эквивалентное выходное сопротивление каскада r_вых. Если каскад нагружен на пассивную компенсационную схему, то изменение выходного эквивалентного сопротивления r_вых вызывает также и ошибку в частотной характеристике (то есть линейные искажения). Хотя незначительное искажение частотной характеристики может считаться несущественным, когда усилитель создает 5% СКГ + Ш, длительная ошибка частотной характеристики, которая восстанавливается только спустя 1 с после перегрузки, может быть неприемлемой.

Можно наблюдать эффект сдвига смещения при перегрузке усилителя, измеряя постоянное напряжение на цепи катодного автосмещения при большом и малом уровнях усиливаемого сигнала. Этот метод измерения удобен, поскольку может использоваться обычный вольтметр, тогда как для измерения анодных напряжений требуется хороший цифровой вольтметр, который может точно измерять постоянное напряжение в присутствии переменного напряжения и тока значительной величины.

В идеальном случае, никогда не должно быть сдвига рабочей точки (напряжения смещения) лампы, какой бы ни был уровень сигнала. Любые изменения напряжения смещения каскада, возникающие в процессе его работы крайне нежелательны, поскольку приводят к изменению положения рабочей точки, что при больших уровнях сигнала всегда опасно появлением дополнительных нелинейных искажений из-за перехода в режим с отсечкой выходного тока и т. п. При условии, что лампа работает в высококачественном усилителе, нелинейные искажения которого никогда не превышают 1 % СКГ, создание напряжение смещения в цепи катода является вполне достаточным, но если сильная перегрузка усилителя с отсечкой анодного напряжения возможна, то должны быть рассмотрены альтернативные варианты схем смещения.

Сеточное смещение

Если смещение каскада осуществляется не за счет катодного резистора, то изменения постоянной составляющей анодного тока, вследствие нелинейных искажений, порождаемых перегрузками усилителя, не могут вызывать сдвиг напряжения смещения, негативные последствия которого рассмотрены выше.

Рис. 4.16 Внешнее сеточное смещение с использованием вспомогательного источника питания или литиевого аккумулятора

Внешнее сеточное смещение, организуемое с помощью вспомогательного источника слаботочного питания отрицательной полярности является характерным в выходных каскадах усилителей мощности, тогда как внешнее сеточное смещение, получаемое при помощи литиевых аккумуляторов лишь ограниченно применяются в предусилителях (рис. 4.16).

Поскольку при внешнем сеточном смещении напряжение между сеткой является фиксированным и ток лампы определяется исключительно видом статических характеристик самой лампы, то такая система смещения никак не реагирует на перегрузки или изменения характеристик лампы при ее старении.

Защита от повышенного тока при перегрузках очень важна в выходных каскадах, потому что сопротивление обмоток выходных трансформаторов незначительно и выходные электронные лампы почти всегда работают с максимальной мощностью рассеяния на аноде. Ток источника питания почти не ограничен, и неполадка быстро приведет к повреждению дорогостоящей электронной лампы. При катодном автосмещении с ростом анодного тока увеличивается и запирающее смещение, что частично решает проблему. При внешнем сеточном смещении всегда необходимо отдельно побеспокоиться о способах ограничения тока при перегрузках.

И наоборот, в каскадах предусилителя или предоконечных каскадах усилителя мощности, электронная лампа редко работает с более, чем половиной максимальной мощности рассеяния на аноде, и роль анодная нагрузки обычно выполняет резистор, который значительно ограничивает анодный ток при его попытках резко возрасти вследствие перегрузок или неполадки.

Катодное смещение с помощью перезаряжаемого аккумулятора

Рис. 4.17 Катодное смещение с помощью перезаряжаемого аккумулятора, работающего на малом токе

Как альтернатива катодному автосмещению, создаваемому катодным резистором за счет катодного тока, может быть использован аккумулятор, включаемый в катодную цепь. Вследствие отсутствия катодного резистора, при этом способе смещения также снимается проблема сдвига напряжения смещения при перегрузках каскада. В то же время, катодный ток, протекающий через аккумулятор смещения встречно, будет его заряжать. Перезаряжаемые элементы имеют крайне низкое внутренне сопротивление, таким образом, если они включены в цепь катода (рис. 4.17), то они не вызывают падения переменного напряжения и возникновения обратной связи.

Хотя на схеме показан только один аккумуляторный элемент, несколько (идентичных) элементов могут быть соединены последовательно, чтобы установить требуемое напряжение, хотя это было бы довольно громоздко. При условии, что катодный, текущий через аккумулятор I_к ≤ С/10 (где С — емкость аккумуляторного элемента в ампер-часах), самонагрев, вызванный непрерывной зарядкой не разрушит элемент. Тем не менее, поскольку элемент установлен в ламповых усилителях, возможен его нагрев до более высокой температуры, чем предполагалось изготовителем аккумулятора, по этой причине может быть разумно ограничение тока до С/20. Никелевый металлогидридный элемент (NiMh) типоразмера АА дает напряжение = 1,38 В когда непрерывно заряжается зарядным током 15 мА.

Диодно-катодное смещение

Альтернативой применению резистора катодного автосмещения является использование полупроводникового диода (рис. 4.18а).

Преимущество такого решения заключается в том, что внутренне сопротивление диода намного ниже, чем традиционных катодных резисторов, поэтому больше не нужно шунтировать его конденсатором, что снимает проблему переходных процессов в нем при восстановлении каскада после перегрузок. Хотя внутренне сопротивление диода на переменном токе невелико, необходимо учесть его вклад во внутреннее сопротивление анодной цепи r_а. В табл. 4.5. показано прямое падение напряжения и внутренне сопротивление (r_диода) для различных типов полупроводниковых диодов.

В отличие от обычных выпрямительных и детекторных полупроводниковых диодов, светоизлучающие диоды (СИД) обеспечивают большее прямое падение напряжения за счет более высокого внутреннего сопротивления, поэтому лучше использовать пару дешевых красных СИД, соединенных последовательно, чем дорогостоящий монохромный зеленый или голубой светодиод. Маловероятно, что будет использоваться германиевый диод, потому что при почти равном падении напряжения, инфракрасный светодиод имеет одну десятую внутреннего сопротивления по сравнению с обычным диодом. Термоионные диоды вряд ли улучшат показатель внутреннего сопротивления, по этой причине их также вряд ли целесообразно использовать.

Обратное смещение порождает больше шумов в диоде, чем прямое смещение, но дает возможность иметь более высокий потенциал источника опорного напряжения, что делает целесообразным использование стабилитронов (рис. 4.186).

Рис. 4.18 Катодное смещение с диодом

В стабилитронах низкого напряжения используется истинный эффект Зенера, но диоды высокого напряжения в действительности используют лавинный эффект. При напряжении порядка 6,2 В, присутствуют оба эффекта, их противоположный температурный коэффициент подавляется, внутреннее сопротивление r_диода при этом минимальное, шум тоже минимальный, поэтому удобнее всего стабилитроны на напряжение 6,2 В. Если требуется идеальный источник высокого опорного напряжения, то лучше включить последовательно несколько стабилитронов на 6,2 В и светодиодов, чем одни стабилитрон высокого напряжения.

Диодное смещение является идеальным для смещении нижней лампы μ-повторителя или параллельно управляемого SRPP усилителя, потому что анодный ток этих ламп I_a стабилизирован работой цепей смещения верхней электронной лампы.

Так как внутренне сопротивление r_диода ≠ 0, изменение тока сигнала вызывает изменение напряжения на диоде. Ток сигнала также порождает падение напряжения на нагрузке каскада R_H, поэтому:

получаем:

Смысл этого уравнения в том, что внутренне сопротивление диода r_диода меняется при изменении тока: вольтамперная характеристика диода приведена на рис. 4.19.

Рис. 4.19 Изменение тока в зависимости от приложенного напряжения для дешевого красного светодиода (вольтамперная характеристика диода)

Так как внутреннее сопротивление диода r_диода не постоянно, напряжение сигнала на нем искажается. Так как наличие сопротивления в катодной цепи, как было показано выше, приводит к возникновению отрицательной обратной связи по току, то искаженное нелинейной вольтамперной характеристикой диод, падающее на нем напряжение оказывается приложено последовательно с сигналом во входную цепь. Это иллюстрируется простейшей эквивалентной схемой (рис. 4.20).

Тем не менее, приведенные выше уравнения и вольтамперная характеристика диода дают основания считать, что искажения, вносимые за счет диода катодного смещения могут быть уменьшены следующими способами:

• исключая диодное смещение как таковое для каскадов с малыми анодными токами 1_а < 10 мА, поскольку внутреннее сопротивление r_диода особенно нелинейно при малых токах;

• максимизируя нагрузочное сопротивление каскада R_H

• уменьшая напряжение выходного сигнала V_RH.

Эти условия подразумевают, что диодное смещение подходит наилучшим образом для:

• входных каскадов предусилителей и корректоров АЧХ граммофонных пластинок по стандарту RIAA: у этих каскадов как правило анодный ток I_a большой и уровень сигнала низкий. Кроме того, каскад может немедленно восстанавливаться в случае перегрузки из-за интенсивных помех, на высоких частотах, вызванных пылью и т. п. на пластинке;

• каскадов μ-повторителей: активная нагрузка максимизирует R_H и анодный ток I_а при этом достаточно большой.

Рис. 4.20 Внутренне сопротивление нелинейного диода добавляет искажения последовательно с источником

Смещение с помощью приемника неизменяющегося тока

Рис. 4.21 Катодное смещение, используя приемник неизменяющегося тока

Для поддержания величины катодного тока лампы неизменным при воздействии перегрузок, неисправностей и т. п., неплохим решением является использование каскада — приемника неизменного (стабильного) тока в качестве устройства катодного смещения (рис. 4.21).

Так как приемник неизменяющегося тока является разомкнутой цепью по переменному току, он вызывает 100% отрицательную обратную связь в несимметричном каскаде, но он является непревзойденным для смещении дифференциальной пары.

Информация

радиоэлектроника для начинающих.азы электроники

Низковольтная аппаратура по низким ценам

http://virus-kill.ru

Продолжение