Содержание

Технические требования к линейному каскаду и способы их реализации

Величина напряжения выходного сигнала, поступающего из линейного каскада в усилитель мощности, очень невелика, поскольку для большинства не отличающихся высокой чувствительностью усилителей мощности в действительности достаточно подачи на вход не более 4 или 5 В среднеквадратического значения для того, чтобы перейти в режим ограничения сигнала. Это означает, что для этого каскада приходится заботиться в первую очередь только о линейности характеристик, а не о его максимальном усилении. Каскад при работе на емкостную нагрузку а виде соединительного кабеля должен обеспечивать отсутствие заметных потерь на высоких частотах, а также такой каскад должен обладать способностью возбуждать усилители мощности с малым входным импедансом, в том числе, например, транзисторные усилители. Так как каскад предшествует цепям регулировки громкости, то усилитель мощности будет усиливать все шумы, которые будут генерироваться непосредственно в самом предусилительном каскаде, а также все шумы, поступающие на его вход. Поэтому необходимо обеспечить минимальный уровень собственных шумов в предусилителе.

Эти требования определяют как небольшое усиление, так и работу на выходную нагрузку с низким значением импеданса, величина которого к тому же еще должна быть определена количественно.

Экранированные аудиокабели с небольшим значением распределенной емкости имеют, как правило, емкость порядка 100 пФ на погонный метр длины кабеля. Для того, чтобы избежать наводок от силового трансформатора и последующего их усиления усилителем мощности, следует пространственно разнести блоки, например, на расстояние в один метр. При этом осуществляется физическое кабельное соединение между блоком предусилителя и входными зажимами усилителя мощности, для чего понадобится кабель длиной примерно в 1,5 м, что будет соответствовать эквивалентной емкости порядка 150 пФ. Входная емкость усилителя мощности также будет давать свой вклад, причем для лампового усилителя значение дополнительной входной емкости можно оценить величиной порядка 20 пФ, а для транзисторного — значением примерно 200 пФ. Это означает для линейного каскада работу на емкостную нагрузку с минимальным значением емкости 170 пФ, но для более длинного кабеля и работе на транзисторный усилитель мощности с более высоким значением входной емкости величина емкостной нагрузки каскада может достигнуть значения порядка 1 нФ.

Импеданс источника питания и параллельная емкость кабеля образуют фильтр нижних частот, для которого частота среза f_-3дБ может быть рассчитана по формуле:

Однако, хотелось бы, чтобы спад в области высоких частот полосы акустического диапазона составлял менее 3 дБ. Поэтому хотелось бы знать, какое значение частоты среза f_-3дБ соответствует заданной величине потерь для данной частоты. Эту величину можно оценить с использованием нижеприведенного соотношения:

где f_{(дБ limit)} - верхняя граница диапазона усиливаемых частот;

АдБ — отклонение (спад) относительно плоского участка характеристики для вышеуказанной частоты.

В качестве примера расчета, выполненного с использованием данного уравнения, можно определить, что для спада, соответствующего 0,1 дБ на частоте 20 кГц, требуемое значение частоты среза с уровнем — 3 дБ составит f_-3дБ =131 кГц. Необходимо отметить, что данная формула будет справедлива только для изолированной параллельной CR-, либо LR-цепи. Для изолированной последовательной CR- либо LR-цепи, вносящей спад АЧХ в области нижних частот диапазона соответствующая формула будет иметь следующий вид:

Использование этой формулы для спада, соответствующего 0,1 дБ на частоте 20 Гц, дает значение частоты f_-3дБ = 3 Гц.

Для быстрой оценки в качестве справочного материала можно использовать нижеприведенную табл. 8.1, в которой приводятся значения ослабления для частотной характеристики фильтра верхних частот (ФВЧ) и фильтра нижних частот (ФНЧ) с ослаблением 6 дБ/октаву в зависимости от частоты, выраженной с использованием коэффициентов, кратных целым множителям или целым делителям для частоты среза f.

Например, при исследовании фильтра верхних частот видно, что спад его частотной характеристики на одну октаву выше частоты среза, то есть на удвоенной частоте (2f) составит -0,97 дБ.

При каскадном включении высокочастотная и низкочастотная частоты среза начинают смещаться к середине полосы пропускания, вот почему было принято предположение, что выбор частоты 1 Гц для частоты низкочастотного среза является достаточно приемлемым вариантом.

Для n каскадов, обладающих идентичными значениями частот НЧ среза для каждого, необходимо воспользоваться выражением для частоты среза комбинированного усилителя:

Использование данной формулы для трехкаскадного (п = 3) усилителя с емкостной связью показывает, что требование для частоты среза 3 Гц для трехкаскадного усилителя в целом, требует значения частоты среза 1,5 Гц для каждого индивидуального каскада. Используемые на практике стандартные значения емкости конденсатора связи 0,1 мкФ и значения сопротивления 1 МОм для сеточного резистора утечки обеспечивает частоту среза 1,6 Гц.

Известно, что управлять значением частоты ВЧ среза значительно сложнее по сравнению с частотой среза в низкочастотной области, поэтому весьма маловероятно, что вообще удастся получить каскады усилителей с идентичными значениями частот ВЧ среза, но если это все-таки произойдет, то для такого случая необходимо будет воспользоваться следующей формулой:

Если принять, что частота ВЧ среза определяется только емкостью кабеля, который служит в качестве выходной нагрузки для линейного каскада, то расчет по ранее приведенной формуле показывает, что для уровня потерь 0,1 дБ на частоте 20 кГц и минимальном значении емкости 170 пФ необходимо иметь выходное сопротивление менее 7 кОм, или даже значительно меньшее значение.

Теперь необходимо сделать ряд предположений и допущений относительно входного сопротивления и чувствительности усилителя мощности.

Обычный усилитель мощности имеет входное сопротивление порядка 1 МОм или несколько выше. Такое значение удобно тем, что позволяет использовать развязывающий конденсатор с небольшим значением емкости. Критерию потерь по уровню 0,1 дБ на частоте 20 кГц практически удовлетворяет конденсатор с емкостью 47 нФ, однако, значение емкости 100 нФ оказывается более предпочтительным. Как правило, лучшие модели усилителей характеризуются чувствительностью на уровне 1 В, или несколько большим значением.

Усилители, имеющие более высокую чувствительность должны возбуждаться пассивным предусилителем, состоящим просто из переключателей входов и блока управления громкостью, который должен иметь очень короткий соединительный кабель. В противном случае такие усилители мощности потребуют переделки с целью снижения их чувствительности. В середине 60-х годов прошлого века усилители мощности достаточно часто имели блок регулировки громкости, переключатель рода работы и даже регулятор тембра, вынесенные на лицевую панель. В настоящее время в достаточно ограниченном кругу специалистов наблюдается тенденция повторения варианта использования отдельно расположенного предусилителя, как и возвращение на авансцену долгоиграющих виниловых грампластинок. Все чаще минимальным требованием при использовании каскада коррекции (выравнивания) амплитудно-частотной характеристики проигрывателя грампластинок, или блока частотной коррекции записи RIAA, является раздельная компоновка блоков.

Так как современные ламповые усилители мощности все чаще имеют чувствительность ≈ 500 мВ и входное сопротивление порядка 100 кОм, то требуется использовать разделительный конденсатор с емкостью более 470 нФ. Более низкое значение сопротивления, скорее всего, объясняется меньшим требованиям к проводам, использующихся в цепях подогревателей катодов ламп, которые вызывают возникновение фонового шума на входных зажимах первого каскада. Фоновый ток вызывает падение напряжения на резисторе сеточного смещения, что в свою очередь приводит к ощутимому на слух фону переменного тока в тех случаях, когда усилитель не шунтируется низким сопротивлением источника питания предусилителя. Чтобы избежать подобного явления, сопротивление резистора сеточного смещения снижается до 100 кОм, что обеспечивает улучшение по фоновому шуму на 20 дБ в случае, когда вход усилителя остается разомкнутым.

Транзисторные усилители также характеризуются тенденцией иметь чувствительность ≈ 500 мВ по входу, но величина входного сопротивления имеет еще более низкое значение, порядка 10 кОм, что требует использовать разделительный конденсатор с емкостью более 4,7 мкФ.

Конденсатор с емкостью 4,7 мкФ и рабочим напряжением 400 В не только гораздо дороже конденсатора с емкостью 100 нФ, но он также является худшим по своему качеству схемным компонентом. Вместо того, чтобы устанавливать столь критичный элемент схемы, гораздо лучше было бы решить проблему с другого конца, увеличив входное сопротивление усилителя мощности.

Решение подобной проблемы для лампового усилителя не представляет особого труда. Для этого надо просто заменить входной резистор сеточного смещения на резистор, имеющий сопротивление 1 МОм, и уделить большее внимание изготовлению цепей подогревателей катодов ламп, если с ними связано возникновение фона переменного тока цепей питания. Для этого обычно используют метод свивания проводов и прокладывание жгута по углам шасси, однако, можно прибегнуть и к такому методу, как питание подогревателей катодов входной лампы от отдельного стабилизированного источника постоянного тока.

Для огромного количества усилителей мощности при их разработке закладывалось требование иметь очень высокую, по современным стандартам, чувствительность. Величину чувствительности можно уменьшить введением делителя напряжений в цепях входной лампы, но гораздо лучшим решением было бы снизить усиление входного каскада, использовав для этого соответствующую межкаскадную отрицательную обратную связь. Второй вариант очень легко осуществить, так как обычной причиной сверхвысокой чувствительности является использование в качестве входной лампы пентода с большим усилением (например, типа EF86). Если переключить пентод на работу в качестве триода (используя имеющийся в схеме резистор анодной нагрузки), то усиление каскада снижается в четыре раза, а если сохранить постоянным значение коэффициента передачи цепи обратной связи, то величина усиления снижается дополнительно еще в четыре раза.

Если следовать теории, то величина сопротивления резистора катодного смещения при этом должна быть пересчитана, но на практике величина такого изменения сопротивления оказывается весьма незначительной. За счет обратной связи, действующей на катод, анодное сопротивление лампы, использующейся в качестве триода, имеет достаточно высокое значение, а выходное сопротивление каскада очень близко к значению, характерному при использовании пентода. Следовательно, элементы компенсации в анодной цепи не требуют изменений. Однако, цепь межкаскадной обратной связи, действующей между выходом усилителя и входным каскадом, требует изменений, чтобы обеспечить необходимый коэффициент передачи с новым значением коэффициента усиления. Для получения точного результата это может быть сделано путем расчета коэффициента передачи старого контура обратной связи и повторным его перерасчетом для новых условий, но более простым методом может оказаться тривиальное деление величины сопротивления на четыре (в соответствии с изменением коэффициента усиления при замене пентода на триод). Соответственно, и значение емкости также должно быть уменьшено в четыре раза, чтобы сохранить требуемое значение постоянной времени RC-цепи (рис. 8.2).

Попытки увеличить входное сопротивление транзисторного усилителя без введения в схему буферного каскада приведет, скорее всего, к большой величине смещения постоянной составляющей на выходе.

Информация

Продолжение