Особенности каскадов предварительного усиления. Усилительные каскады Входной каскад унч с полосовым фильтром
Усилители низкой частоты в основном предназначены для обеспечения заданной мощности на выходном устройстве, в качестве которого может быть – громкоговоритель, записывающая головка магнитофона, обмотка реле, катушка измерительного прибора и т. д. Источниками входного сигнала являются звукосниматель, фотоэлемент и всевозможные преобразователи неэлектрических величин в электрические. Как правило, входной сигнал очень мал, его значение недостаточно для нормальной работы усилителя. В связи с этим перед усилителем мощности включают один или несколько каскадов предварительного усиления, выполняющих функции усилителей напряжения.
В предварительных каскадах УНЧ в качестве нагрузки чаще всего используют резисторы; их собирают как на лампах, так и на транзисторах.
Усилители на биполярных транзисторах обычно собирают по схеме с общим эмиттером. Рассмотрим работу такого каскада (рис. 26). Напряжение синусоидального сигнала u вх подают на участок база – эмиттер через разделительный конденсатор С р1 , что создает пульсацию тока базы относительно постоянной составляющей I б0 . Значение I б0 определяется напряжением источника Е к и сопротивлением резистора R б . Изменение тока базы вызывает соответствующее изменение тока коллектора, проходящего по сопротивлению нагрузки R н . Переменная составляющая тока коллектора создает на сопротивлении нагрузки R k усиленное по амплитуде падение напряжения u вых .
Расчет такого каскада можно произвести графически с использованием приведенных на рис. 27 входных и выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с ОЭ. Если сопротивление нагрузки R н и напряжение источника Е к заданы, то положение линии нагрузки определяется точками С и D . При этом точка D задана значением Е к , а точка С – током I к =Е к /R н . Линия нагрузки CD пересекает семейство выходных характеристик. Выбираем рабочий участок на линии нагрузки так, чтобы искажения сигнала при усилении были минимальны. Для этого точки пересечения линии CD с выходными характеристиками должны находиться в пределах прямолинейных участков последних. Этому требованию соответствует участок АВ линии нагрузки.
Рабочая точка при синусоидальном входном сигнале находится в середине этого участка – точка О . Проекция отрезка AO на ось ординат определяет амплитуду коллекторного тока, а проекция того же отрезка на ось абсцисс – амплитуду переменной составляющей коллекторного напряжения. Рабочая точка O определяет ток коллектора I к0 и напряжение на коллекторе U кэ0 соответствующие режиму покоя.
Кроме того, точка O определяет ток покоя базы I б0 , а следовательно, и положение рабочей точки O" на входной характеристике (рис. 27, а, б). Точкам А и В выходных характеристик соответствуют точки А" и В" на входной характеристике. Проекция отрезка А"O" на ось абсцисс определяет амплитуду входного сигнала U вх т , при которой будет обеспечен режим минимальных искажений.
Строго говоря, U вх т , необходимо определять по семейству входных характеристик. Но так как входные характеристики при различных значениях напряжения U кэ , отличаются незначительно, на практике пользуются входной характеристикой, соответствующей среднему значению U кэ =U кэ 0 .
Каскады предварительного усиления. Типовой источник сигнала раньше развивал выходное напряжение на уровне 50-200 мВ. На это напряжение ориентировали высококачественные усилители. Между входными гнездами и сеткой первой лампы раньше располагали корректирующие цепи, в которых сигнал ослаблялся минимум вдвое (6 дБ) на самом чувствительном входе. В тонкомпенсированном регуляторе громкости минимальное ослабление сигнала составляет еще 6дБ. Регуляторы тембра, обеспечивающие глубину регулирования ±20дБ, обычно ослабляют сигнал еще на 30-40дБ. При наличии во входных цепях катодных повторителей потери сигнала возрастали еще на 3-6дБ. Итак, общее затухание сигнала раньше составляло 45-58дб. Величина напряжения сигнала на сетках ламп оконечного каскада составляет в среднем 10-20 в. Отношение этой величины к входному напряжению сигнала составляет 10/0,05 = 200 (46 дБ). Итак, усиление предварительных каскадов с учетом затухания сигнала и необходимого напряжения на сетках ламп оконечного каскада раньше должно было иметь величину порядка 90-100 дб. Иначе говоря, коэффициент усиления предварительных каскадов должен быть равен примерно 100000. Это довольно значительная для низкочастотного усилителя величина. Если коэффициент усиления по напряжению каждого из усилительных каскадов равен примерно 10, то, очевидно, число каскадов должно быть равно 5. При коэффициенте усиления каждого каскада порядка 100 общее количество каскадов будет равно 3 (с некоторым запасом). Поскольку коэффициент усиления, равный 10 на каждый каскад, обеспечивает практически любой современный низкочастотный ламповый триод, а коэффициент усиления 100 на каскад является предельным даже для хороших НЧ пентодов, то можно утверждать, что для ламповых усилителей число каскадов предварительного усиления должно лежать в пределах от трех до пяти.
Сколько же каскадов делать: 3 или 5? Первым, разумеется, напрашивается ответ "3". Однако не стоит торопиться. Три каскада - это значит минимальный коэффициент усиления каскада равен корню третьей степени из 10000. Заметим, что это не μ лампы, а коэффициент усиления каскада, который редко превышает 50% от μ лампы. Следовательно, триоды отпадают. Значит, будет три каскада на пентодах или, в крайнем случае, два на пентодах и один на триоде. Последняя схема, не имеющая никакого запаса по усилению, не позволяет использовать в схеме отрицательную обратную связь, т.е. практически непригодна для Hi-Fi - усилителей, ибо без отрицательной обратной связи немыслимо снизить коэффициент нелинейных искажений и расширить частотный диапазон до требуемых величин. Три каскада на пентодах могут позволить ввести отрицательную обратную связь, но тогда на пентоде оказывается собран и первый, входной каскад, а в этом случае, как показывает опыт, практически невозможно добиться полного отсутствия микрофонного эффекта и уровня фона ниже - 60 дб. Другая крайность - пять каскадов на триодах - всегда обеспечивает нужный коэффициент усиления даже на самых плохих лампах, однако, применяя лампы со средним коэффициентом усиления порядка 20-50, без труда удается получить требуемый коэффициент усиления с достаточным запасом при четырех триодах (т. е. на двух сдвоенных лампах). Такая схема и является наиболее распространенной. Правда, многие зарубежные фирмы выпускают специально разработанный пентод для входного каскада с малым уровнем собственных шумов и не склонный к микрофонному эффекту (EF-184, EF-804 и др.). Применяя такой пентод и последующие триоды с большим μ (90-120) по типу ЕСС-83, удается получить нужный коэффициент усиления на трех каскадах по системе пентод - триод – триод, но во-первых, такая система требует применения специальных ламп, а во-вторых - очень высокого качества трансформаторной стали, высокочувствительных оконечных ламп и т.д. Поэтому такая схема не подходит.
Примечание. В 21 веке ситуация существенно изменилась. Физические аналоговые каскады предварительного усиления сейчас никто не городит. Предварительную обработку сигнала доверяют высококачественным ЦАПам. Входной сигнал считают нормой в 1-2 вольта. Поэтому для лампового оконечника достаточно усиления в 20-50 раз. А с такой задачей справляется одна электронная лампа в каскаде предварительного усиления. Это, например, двойной триод, в котором совмещены функции фазоинвертора. Именно поэтому весь мусор от многочисленных последовательных каскадов остался в далёком прошлом. Евгений Бортник.
Фазоинверторы. Если фазоинвертор собран по схеме, в которой каждое плечо является одновременно и усилителем (например, по схеме рис.1), то коэффициент усиления этого плеча учитывается в общем усилении тракта. Напоминаем, что учитывать нужно усиление только одного плеча, так как второе плечо инвертора является лишь согласователем для второго плеча двухтактного оконечного каскада и не входит в общий усилительный тракт.
Если же фазоинвертор собран по схеме симметричного катодного повторителя (рис.2), то его коэффициент усиления всегда меньше единицы, поэтому такой каскад не только не является усилительным каскадом, но еще требует дополнительного увеличения общего усиления на 4-6 дб.
Методика выбора коэффициента усиления для усилителя на транзисторах совершенно та же. Теперь конкретно о самих схемах каскадов предварительного усиления (КПУ). Это - простейшие резистивные усилители без каких-либо схемных особенностей. Типичным для всех каскадов, как на триодах, так и на пентодах, являются уменьшенные в 2-5 раз по сравнению с оптимальными расчетными величинами анодных (коллекторных) нагрузок для расширения полосы пропускания в сторону более высоких частот, увеличенные до 0,1-0,25 мкф переходные конденсаторы и до 1-1,5 Мом резисторы утечки сетки для снижения спада частотной характеристики на низких частотах, применение отрицательной обратной связи по току во всех каскадах, кроме того, на котором собран блок регулировок частотной характеристики. Что касается самих усилительных элементов, то за последние годы появилось множество различных новых типов ламп и транзисторов с отличными параметрами. Так, величина S у маломощных ламп стала равна 30-50 мА/В против привычных значений 3-10 мА/В, в связи с чем резко возросла чувствительность ламп. Подсчеты показывают, что теоретически все предварительное усиление можно получить даже на двух каскадах с такими лампами. Однако полезно будет предостеречь любителей от поспешности в выборе таких ламп. И дело здесь не в консерватизме, а в том, что увеличение, скажем, крутизны ламп достигается резким уменьшением зазора между управляющей сеткой и катодом, что значительно повышает склонность лампы к появлению термотоков и вытекающих из этого огромных нелинейных искажений. Немаловажны, также большая стоимость и меньшая долговечность таких ламп. Можно утверждать, что такие проверенные многолетней практикой лампы как 6Н1П, 6Н2П, 6НЗП, 6Н23П, 6Н24П, 6Ж1П, 6Ж5П вполне годятся для предварительных каскадов даже самых лучших, самых современных усилителей. Для примера, ниже показаны несколько схем КПУ на лампах в их обычных режимах
.png)
На рис.3. показаны каскады предварительного усиления на лампах. а - двухкаскадный усилитель с междукаскадной внутренней обратной связью; б - каскад с линеаризирующей обратной связью в цепи защитной сетки.
Оконечные и предоконечные каскады – усилители мощности. Формально предоконечные каскады (драйверы, от английского слова drive - возбуждать, задавать, раскачивать) относят к усилителям напряжения, т. е. к предварительным каскадам, однако рассмотрены они в этом, а не в предыдущем параграфе, чтобы подчеркнуть, что по характеру работы и по режимам использования драйверы значительно ближе к оконечным усилителям, т.е. усилителям мощности. Для Hi-Fi усилителей характерна значительная величина выходной мощности порядка 15-50Вт. Это значит, что для возбуждения (раскачки) оконечного каскада без заметных нелинейных искажений уже требуется мощность порядка 1-5Вт, при напряжении до 25-35В, а если учесть требования к уменьшению нелинейных искажений, то становится ясным, что обычные маломощные триоды не могут обеспечить возбуждения мощных оконечных ламп. Поэтому логичным и оправданным становится использование в последнем каскаде усиления напряжения мощных ламп. Возможно, что теоретически более правильно предоконечные каскады во всех случаях делать трансформаторными или дроссельными, чтобы получить наибольшую величину коэффициента использования по анодному напряжению ξ, однако есть несколько соображений, почему этого делать не следует. Трансформаторный каскад всегда вносит заметные частотные искажения, а при мощностях свыше 1-2 вт и ощутимые нелинейные искажения. К тому же трансформаторы относительно дороги, сложны и трудоемки в изготовлении, тяжелы и громоздки, чувствительны к магнитным наводкам и одновременно являются источником наводок звуковой частоты для других цепей усилителя (в первую очередь входных).
В то же время в распоряжении радиолюбителей сейчас есть лампы средней мощности, широкополосные и экономичные, позволяющие без труда получить неискаженную мощность порядка 2-4Вт на активном сопротивлении нагрузки. К ним в первую очередь нужно отнести лампы типов 6П15П, 6Э5П, 6Ф3П, 6Ф4П, 6Ф5П, 6Ж5П, 6Ж9П и др. Впрочем, к этому вопросу нужно подходить внимательнее. В ряде случаев по соображениям более простого согласования всё же целесообразно использовать трансформаторную связь. Схемы предоконечных усилителей показаны ниже
Для оконечных НЧ каскадов мощностью до 10-12 Вт радиолюбители в большинстве случаев используют лампы типа 6П14П отчасти потому, что они довольно легко обеспечивают получение указанной мощности. Кроме того, других подходящих для этой цели ламп, к сожалению, нет. Такую устаревшую, хотя и очень неплохую лампу, как 6П3С (6L6) в наше время рекомендовать нельзя, а более мощных специальных ламп для оконечных каскадов УНЧ по типу немецкой EL-34 промышленность не выпускает. [Странное заключение, безо всяких оснований, в 1980-90 гг нельзя рекомендовать применение 6П3С! Чистый волюнтаризм из совдепии. В 21 веке, например, лампы 6П3С могут быть настойчиво рекомендованы для конструирования лампового усилителя. Важно найти экземпляры в хорошей сохранности. Е.Б.] Нередко люди пытаются путем форсирования режима получить большую мощность от тех же ламп 6П14П, однако такой путь совершенно недопустим из-за резкого ухудшения надежности усилителя и возрастания нелинейных искажений при появлении сеточного термотока.
Учитывая сказанное, можно рекомендовать радиолюбителям применять лампы 6П14П в любых двухтактных схемах только при мощностях, не превосходящих 10 вт. [Поразительно бессмысленная рекомендация в стиле, «раз ничего хорошего нету, ну и делайте, то, что делаете». Автор вроде крутой авторитет, а пишет ахинею. Е.Б.] При большей выходной мощности надо переходить на такие явно не "низкочастотные" лампы, как 6П31С, 6П36С, 6П20С, ГУ-50, 6Н13С (6Н5С) как в классических двухтактных и ультралинейных схемах, так и в менее знакомых радиолюбителям мостовых схемах, называемых также двухтактно-параллельными. Первые три из указанных ламп предназначены для использования в оконечных каскадах строчной развертки телевизоров и позволяют снимать с двух ламп мощность до 25Вт, генераторная лампа ГУ-50 при анодном напряжении 500-750 в (а она по паспорту имеет Uа.раб = 1000 в) легко отдает в двухтактной схеме мощность 40-60Вт; двойной триод 6Н13С, сконструированный специально как управляющая лампа в схемах электронных стабилизаторов напряжения, имеет очень низкое внутреннее сопротивление и при сравнительно небольшом анодном напряжении позволяет получить в обычной двухтактной схеме мощность не менее 15Вт (на один баллон), а при включении в каждом плече по два триода параллельно (два баллона) в обычной двухтактной и в мостовой схемах обеспечивает выходную мощность до 25вт. Используя перечисленные лампы, радиолюбитель получает большой выбор для творческой деятельности.
[Очередная рекомендация в смутном состоянии сознания. Интересно, почему для творческой деятельности не подходят сдвоенные или строенные лампы? Может автор просто не знает правила параллельного соединения радиоэлементов? А именно параллельное соединение, при качественном подборе экземпляров, даёт массу промежуточных вариантов очень мощных усилителей с достойными характеристиками. Странно читать рекомендацию лампы 6П31С, которая ничуть не мощнее, чем 6П14П, зато значительно кривее по характеристикам. А ещё с разочарованием приходится наблюдать резвые рекомендации в применении ламп 6Н13С (запараллеленных кстати). Удивительная демонстрация легкомыслия, поскольку автор совершенно не ориентируется в практике, ведь лампы 6Н13С редкостное гуано. Разброс характеристик половинок имеет диапазон 100% и более. Их практически невозможно точно подобрать для параллельного включения, поэтому усилитель не может выдать значительную мощность в нагрузку без перегрева одной из половинок, и коэффициент использования вряд ли превысит 40-50%. И простые схемы параллельного включения для 6Н13С, без выравнивающих обвесов, непригодны. А рассуждения про лампы умиляют, ведь есть большое количество других превосходных ламп, в отличие от рекомендованных, например 6П13С, 6П44С, 6П45С, Г807, в крайнем случае годятся лампы 6Р3С. Е.Б.]
.png)
Рис.5. Мощные оконечные каскады низкочастотного тракта УНЧ. а - на лампах 6П36С в ультралинейном включении; б - на лампах ГУ-50 в двухтактно-параллельной схеме; в - на лампах 6Н13С с балансировкой фиксированного смещения
Поскольку все схемы были рассмотрены как низкочастотные, т.е. рассчитанные на ограниченную полосу пропускания (не свыше 5-8 кГц), ничего не говорилось о выходных трансформаторах, дросселях, и автотрансформаторах. Все они - самые обычные, собранные на Ш-образных или ленточных сердечниках из простой трансформаторной стали толщиной 0,35мм. К конструкции каркаса и обмоткам не предъявляется повышенных требований, за исключением высокой степени симметрии отдельных половин первичной обмотки. Это требование особенно существенно для ультралинейных схем включения оконечных ламп. Величины индуктивности рассеяния и емкости первичной обмотки не существенны. Вторичные обмотки при мощностях свыше 10Вт надо наматывать возможно более толстым проводом для уменьшения активных потерь. Желательно сделать несколько отводов, чтобы подобрать наилучший режим работы оконечного каскада. Подробнее этот вопрос рассмотрен в следующем параграфе. Высокочастотные оконечные каскады двухканальных Hi-Fi усилителей существенно отличаются от низкочастотных, поэтому и рекомендации относительно них будут другими. Прежде всего, это относится к типам ламп. [Поразительные рассуждения . Автор изобрёл собственную классификацию НЧ и ВЧ. Даже махровому дилетанту, причитавшему раздел про вакуумные лампы, прежде всего, очевидно то, что придуманное частотное разделение никакого отношения к вакуумным лампам не имеет вообще, их диапазон уходит в сотни мегагерц. Лампе 6П14П фиолетово, сигналы какой частоты усиливать, будь то 0,1кГц, 1кГц, 5кГц, 8 кГц, 16 кГц или 32кГц. А вот в отношении согласующего трансформатора этот вопрос уже актуален. Но и здесь беспокойств не нужно, т.к. до 18-20кГц годятся обычные трансформаторы, ничего наматывать вовсе не надо. А для частот выше 20кГц следует переходить на ферриты. Такое ощущение, что автор ничего не слышал про секционирование обмоток для улучшения АЧХ, и рекомендует толстый провод вторичной обмотки. А понятие АКТИВНЫЕ ПОТЕРИ - абсолютный собачий бред, поскольку пассивных потерь не бывает и реактивных потерь тоже нетю. Е.Б.]
Поскольку мощность высокочастотных каналов даже в усилителях экстра-класса лежит в пределах 10-12 вт, наиболее подходящими будут лампы 6П14П и 6Н13С. Наилучшие схемы включения - двухтактная ультралинейная, мостовая на 6П14П в триодном включении и "двухэтажная" на 6Н13С. Относительно последней схемы, наиболее часто встречающийся вариант которой, приведен на рис.6, можно сказать, что хотя она и не нова в теоретическом смысле, однако массовое распространение в радиовещательной аппаратуре получила только в 60-х годах прошлого века. Как это нередко бывает, схема стала очень распространенной, причем, говоря о достоинствах схемы, обычно умалчивали о ее недостатках. Попробуем объективно оценить и те и другие.
[Прежде всего, предлагаю здраво оценить самое важное последствие создания бестрансформаторных схем. Прошедшие 50 лет показали, что никакого распространения такие схемы не получили, да и не могли получить. С повышением уровня жизни ценность здоровья возрастает. Поэтому главный и непреодолимый недостаток бестрансформаторный схем – отсутствие гальванический развязки с источником высокого напряжения, никогда не позволит таким схемам достичь хоть какого-то распространения среди человеческого населения. А фантазёры пусть изучают и анализируют режимы такой схемотехники хоть до посинения.]
Рис.6. Одна из наиболее распространенных схем оконечного каскада с последовательным включением ламп по постоянному току
Последовательное включение двух ламп по постоянному току равносильно тому, что по переменному току обе они относительно нагрузки включены параллельно, в силу чего их общее внутреннее сопротивление фактически вчетверо меньше, чем у обычного двухтактного каскада. Если для такой схемы взять лампы, внутреннее сопротивление которых ниже обычного, а в качестве нагрузки использовать сравнительно высокоомные громкоговорители, то оказывается, что выходной трансформатор по расчету имел бы в этом случае коэффициент трансформации, близкий к единице или, во всяком случае, измеряемый единицами. Тогда оказывается возможным подключить нагрузку к лампам непосредственно, без выходного трансформатора. Это, разумеется, является безусловным достоинством схемы. Однако за это достоинство приходится дорого расплачиваться. Прежде всего, непосредственное включение нагрузки все-таки оказывается невозможным из-за наличия в точках ее включения, половины напряжения источника питания (120-150В). Поэтому громкоговорители приходится включать через разделительный конденсатор, емкость которого прямо связана с активным сопротивлением нагрузки и нижней границей полосы пропускания. Действительно, если допустимая потеря напряжения полезного сигнала на разделительном конденсаторе составляет 10% от величины самого сигнала, то при Rн=20Ом и fниж=40Гц реактивное сопротивление конденсатора не должно превышать 2 Ом, откуда его емкость равна
Ясно, что такую емкость может иметь только электролитический конденсатор, но при этом нужно помнить, что его рабочее напряжение должно быть по крайней мере не ниже полного напряжения источника питания, т.е. 300-350В. И тогда оказывается, что стоимость такого конденсатора ничуть не ниже стоимости выходного трансформатора, тем более, что трансформатор в отличие от конденсатора радиолюбитель в случае необходимости всегда может изготовить сам. Конечно, можно изготовить громкоговоритель с сопротивлением звуковой катушки не 20, а 200 Ом, что позволит при тех же условиях уменьшить емкость разделительного конденсатора до 200мкФ, однако в этом случае резко возрастает стоимость громкоговорителя. Впрочем, это не единственный недостаток данной схемы. Второй состоит в том, что при последовательном включении ламп по постоянному току к каждой из них оказывается приложена только половина напряжения анодного источника, поэтому схема может хорошо работать только на специальных лампах, номинальное анодное напряжение которых не превышает 100-150В. Однако большинство ламп подобного типа имеют незначительную максимальную отдаваемую мощность, редко превышающую единицы ватт. Кроме того, исследования показали, что при использовании пентодов эта схема принципиально несколько асимметрична, что делает ее мало пригодной для оконечных НЧ каскадов Hi-Fi усилителей. В высокочастотных каскадах первый недостаток сразу же отпадает, поскольку при выбранных в предыдущем расчете величинах и нижней границе ВЧ канала fниж=2кГц величина емкости разделительного конденсатора
причем в этом случае десятипроцентная потеря сигнала будет иметь место только в самой худшей, практически нерабочей части полосы пропускания, а на fверх=20кГц потери сигнала составят всего лишь 1%. Кроме того, требуемая выходная мощность для оконечного ВЧ каскада значительно меньше, чем для НЧ каскада, что позволяет использовать в этой схеме двойной триод 6Н13С, имеющий низкое внутреннее сопротивление и хорошо работающий при низких анодных напряжениях. Практическая схема такого каскада приведена на рис.7.
Рис.7. Практическая схема "двухэтажного" оконечного каскада на двойном триоде 6Н13С (6Н5С)
Если мощность ВЧ канала не превышает 2-3Вт, можно собрать оконечный каскад по схеме рис.8 на лампах типов 6Ф3П или 6Ф5П. Выходной трансформатор для этой схемы собирают на ленточном сердечнике при толщине ленты не более 0,2мм либо на Ш-образном пермаллое. Для того, чтобы ультралинейная схема дала ощутимый результат и нелинейные искажения действительно были порядка 0,2-0,5%, точку отвода первичной обмотки нужно в каждом случае подбирать опытным путем непосредственно по результатам измерений к.н.и. в процессе налаживания усилителя. Для этого при намотке трансформатора у каждой половины первичной обмотки нужно предусмотреть по 4-6 отводов.
Рис.8. Двухтактный высокочастотный оконечный каскад на лампах 6Ф3П или 6Ф5П (Рвых=2,5Вт)
Для транзисторных усилителей "двухэтажная" схема, напротив, оказывается предпочтительнее всех остальных. Это объясняется низкими величинами внутреннего сопротивления мощных транзисторов и коллекторного напряжения (по сравнению с лампами). Поэтому обеспечивается отличное согласование каскада с нагрузкой даже при использовании обычных низкоомных громкоговорителей, например, типа 4ГД-35. Кроме того, разделительный конденсатор оказывается небольших размеров даже при емкости 2000-5000мкФ, поскольку его рабочее напряжение не превышает 20-30В. Такие схемы широко распространены и радиолюбителям хорошо известны.
В качестве некоторого обобщающего заключения могу привести несколько соображений, которые в 21 веке будут наверняка восприняты как рациональные. Первое соображение – правильность обсуждения автором только двухтактных усилителей, поскольку однотактные схемы предназначены для начинающих. Второе – основательность подхода к систематизации схемотехники каскадов тоже заслуживает уважения. Третье – бесспорная квалификация автора в некоторых случаях граничит с поразительными предрассудками, а промахи в размышлизмах видимо есть следствие высокой теоретической подготовки и недостаточной практической опытности автора. Четвертое – прошедшие десятилетия существенно изменили расклад, как в основных понятиях, так и в схемотехнике, особенно в отношении выходных каскадов высокоэффективных усилителей. Да и церемонности чрезмерной сейчас уже нет. Многое стало проще и понятнее. Некоторые понты умерли не показав жизнестойкости. Но зато им на смену появилить новые понты, вроде бескислородной меди. Очень важным представляется необходимость осознания того факта, что изменение технологического уклада общества не должно изменять принципиальные жизненные ценности, например славянской цивилизации. По материалам из книги Гендина, скачанным в сети публикацию подготовил
Евгений Бортник, Красноярск, Россия, март 2018
Структурная схема полного усилителя низкой частоты УНЧ изображена на Рис.14.
Рис.14 Структурная схема УНЧ.
Входной каскад выделен с группы каскадов предварительного усиления, так как к нему предъявляются дополнительные требования по согласованию с источником сигнала.
Для уменьшения шунтирования источника сигнала R i низким входным сопротивлением усилителя R ВХ~ должно выполнятся условие: R ВХ~ >> R i
Чаще всего входным каскадом является эмиттерный повторитель, в которого R ВХ~ достигает 50 кОм и более или используются полевые транзисторы, обладающие очень большим входным сопротивлением.
Кроме этого входной каскад должен обладать максимальным отношением сигнал / шум, так как он определяет шумовые свойства всего усилителя.
Регулировки позволяют оперативно устанавливать уровень выходной мощности (громкость, баланс) и изменять форму АЧХ (тембр).
Оконечные каскады обеспечивают требуемую выходную мощность в нагрузке при минимальных нелинейных искажениях сигнала и высокой экономичности. Требования к оконечным каскадам определяются их особенностями.
1. Работа усилителя мощности на низкоомную нагрузку акустических систем требует оптимального согласование оконечного каскада с полным звуковым сопротивлением АС: R ВЫХ~ ≈ R Н .
2. Оконечные каскады потребляют основную часть энергии источника питания и экономичность для них является одним из основных параметров.
3. Доля нелинейных искажений, вносимых оконечными каскадами, составляет 70…90%. Это учитывается при выборе их режимов работы.
Предоконечные каскады . При больших выходных мощностях усилителя назначение и требования к предоконечным каскадам аналогичны оконечным каскадам.
Кроме этого, если двухтактные оконечные каскады выполнены на транзисторах одинаковой структуры, то предоконечные каскады должны быть фазоинверсными .
Требования к каскадам предварительного усиления вытекают из их назначения - усиливать напряжение и ток, создаваемые источником сигнала на входе, до величины, необходимой для возбуждения каскадов усиления мощности.
Поэтому наиболее важными показателями для многокаскадного предварительного усилителя являются: коэффициент усиления напряжения и тока, частотная характеристика (АЧХ) и частотные искажения.
Основные свойства каскадов предварительного усиления:
1. Амплитуда сигнала в предварительных каскадах обычно мала, поэтому в большинстве случаев нелинейные искажения невелики и могут не учитываться.
2. Построение каскадов предварительного усиления по однотактным схемам требует применения в нихнеэкономичного режима А, что практически не сказывается на общей экономичности усилителя из-за малых значений токов покоя транзисторов.
3. Наибольшее распространение в предварительных каскадах получила схема включения транзистора с общим эмиттером, позволяющая получить наибольшее усиление иимеющая достаточно большое входное сопротивление, так что каскады можно соединить без согласующих трансформаторов, не теряя в усилении.
4. Из возможных способов стабилизации режима в предварительных каскадах наибольшее распространение получила эмиттерная стабилизация как наиболее эффективная и простая по схеме.
5. Для улучшения шумовых свойств усилителя, транзистор первого каскада выбирают малошумящим с большим значением статического коэффициента усиления по току h 21э >100, а его режим по постоянному току должен быть слаботочным I ок = 0,2…0,5 мА, а сам транзистор для повышения входного сопротивления УНЧ включают по схеме с общим коллектором (ОК).
Для исследования свойств предварительных каскадов усиления составляется эквивалентная электрическая схема их по переменному току. Для этого транзистор заменяется схемой замещения (эквивалентным генератором Е ВЫХ , внутренним сопротивлением R ВЫХ ,проходной емкостью С К ),а к нему подключаются все элементы внешней цепи, влияющие на коэффициент усиления и АЧХ (частотные искажения).
Свойства предварительных каскадов усиления определяются схемой их построения: с емкостной или гальванической связями, на биполярных или полевых транзисторах, дифференциальные , каскодные и другие специальные схемы.
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗИСТОРНОГО
УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
АЧХ - амплитудно-частотная характеристика;
ПХ - переходная характеристика;
СЧ - средние частоты;
НЧ - низкие частоты;
ВЧ - высокие частоты;
К - коэффициент усиления усилителя;
Uc - напряжение сигнала частотой w ;
Cp - разделительный конденсатор;
R1,R2 - сопротивления делителя;
Rк - коллекторное сопротивление;
Rэ - сопротивление в цепи эмиттера;
Cэ - конденсатор в цепи эмиттера;
Rн - сопротивление нагрузки;
Сн - емкость нагрузки;
S - крутизна трагзистора;
Lк - корректирующая индуктивность;
Rф,Сф - элементы НЧ - коррекции.
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ.
Целью настоящей работы является:
1) изучение работы резисторного каскада в области низких, средних и высоких частот.
2) изучение схем низкочастотной и высокочастотной коррекции АЧХ усилителя;
2. ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ.
2.1. Изучить схему резисторного усилительного каскада, уяснить назначение всех элементов усилителя и их влияние на параметры усилителя (подраздел 3.1).
2.2. Изучить принцип работы и принципиальные схемы низкочастотной и высокочастотной коррекции АЧХ усилителя (подраздел 3.2).
2.3. Уяснить назначение всех элементов на лицевой панели лабораторного макета (раздел 4).
2.4. Найти ответы на все контрольные вопросы (раздел 6).
3. РЕЗИСТОРНЫЙ КАСАКАД НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ
Резисторные усилительные касакады широко применяются в различных областях радиотехники. Идеальный усилитель имеет равномерную АЧХ во всей полосе частот, реальный усилитель всегда имеет искажения АЧХ, прежде всего - снижение усиления на низких и высоких частотах, как показано на рис. 3.1.
Схема резисторного усилителя переменного тока на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером представлена на рис. 3.2, где Rc - внутреннее сопротивление источника сигнала Uc ; R1 и R2 - сопротивления делителя, задающие рабочую точку транзистора VT1; Rэ - сопротивление в цепи эмиттера, которое шунтируется конденсатором Сэ; Rк - коллекторное сопротивление; Rн - сопротивление нагрузки; Cp - разделительные конденсаторы, обеспечивающие разделение по постоянному току транзистора VT1 от цепи сигнала и цепи нагрузки.
Температурная стабильность рабочей точки возрастает при увеличении Rэ (за счет увеличения глубины отрицательной обратной связи в касакаде на постоянном токе), стабильность рабочей точки также возрастает и при уменьшении R1,R2 (за счет увеличения тока делителя и повышения температурной стабилизации потенциала базы VT1). Возможное уменьшение R1,R2 ограничено допустимым снижением входного сопротивления усилителя, а возможное увеличение Rэ ограничено максимально допустимым падением постоянного напряжения на сопротивлении эмиттера.
3.1. Анализ работы резисторного усилителя в области низких, средних и высоких частот.
Эквивалентная схема получена с учетом того, что на переменном токе шина питания (“-Е п ”) и общая точка (“земля”) являются короткозамкнутыми, а также с учетом допущения 1/wCэ << Rэ, когда можно считать эмиттер VT1 подключенным на переменном токе к общей точке.
Поведение усилителя различно в области низких, средних и высоких частот (см.рис. 3.1). На средних частотах (СЧ) , где сопротивление разделительного конденсатора Ср пренебрежимо мало (1/wCр << Rн), а влиянием емкости Со можно пренебречь, так как 1/wCо >> Rк, эквивалентная схема усилителя преобразуется в схему рис.3.4.
Из схемы рис.3.4 следует, что на средних частотах усиление касакада Ко не зависит от частоты w:
Ко = - S/(Yi + Yк + Yн),
откуда с учетом 1/Yi > Rн > Rк получаем приближенную формулу
Следовательно, в усилителях с высокоомной нагрузкой номинальный коэффициент усиления Ко прямо пропорционален величине сопротивления коллектора Rк.
В области низких частот (НЧ) также можно пренебречь малой емкостью Со, но необходимо учесть возрастающее с понижением w сопротивление разделительного конденсатора Ср. Это позволяет получить из рис. 3.3 эквивалентную схему усилителя на НЧ в виде рис.3.5, откуда видно, что конденсатор Ср и сопротивление Rн образуют делитель напряжения, снимаемого с коллектора транзистора VT1.
Чем ниже частота сигнала w , тем больше емкостное сопротивление Ср (1/wCр), и тем меньшая часть напряжения попадает на выход, в результате чего происходит снижение усиления. Таким образом, Ср определяет поведение АЧХ усилителя в области НЧ и практически не оказывает влияния на АЧХ усилителя в области средних и высоких частот. Чем больше Ср, тем менбше искажения АЧХ в области НЧ, а при усилении импульсных сигналов - тем меньше искажения импульса в области больших времен (спад плоской части вершины импульса), как показано на рис.3.6.
В области высоких частот (ВЧ), как и на СЧ, сопротивление разделительного конденсатора Ср пренебрежимо мало, при этом определяющим на АЧХ усилителя будет наличие емкости Со. Эквивалентная схема усилителя в области ВЧ представлена на схеме рис.3.7, откуда видно, что емкость Со шунтирует выходное напряжение Uвых, следовательно с повышением w будет уменьшаться усиление касакада. Дополнительной причиной снижения усиления на ВЧ является уменьшение крутизны транзистора S по закону:
S(w) = S/(1 + jwt),
где t - постоянная времени транзистора.
Шунтирующее действие Со будет сказываться меньше при уменьшении сопротивления Rк. Следовательно, для увеличения верхней граничной частоты полосы усиливаемых частот необходимо уменьшать коллекторное сопротивление Rк, однако это неизбежно приводит к пропорциональному снижению номинального коэффициента усиления.
Каскады предварительного усиления Общие сведения. Предварительный усилитель усиливает коле-бания напряжения или тока источника сигнала до значений, кото-рые необходимо подать на вход оконечного каскада для получения в нагрузке заданной мощности. Предварительный усилитель может быть одно- и многокаскадным. Транзисторы в каскадах предвари-тельного усиления включают с ОЭ, а лампы — с общим катодом, что позволяет получить наибольшее усиление . Включение транзистора с ОБ целесообразно во входных каскадах, работающих от источника сигнала с малым внутренним сопротивлением. Для уменьшения нелинейных искажений в каскадах предварительного усиления предпочтителен режим А.
- По виду связи между каскада-ми (при многокаскадном выполнении усилителей) различают усили-тели с емкостной,
- трансформаторной
- гальванической связью (уси-лители постоянного тока).
Усилители с емкостной связью.
Усилители с емкостной или ЯС-бвязью имеют широкое применение.. Они просты в конструкции и наладке, дешевы, обладают стабильными характеристиками, на-дежны в работе, имеют небольшие размеры и массу. Типовые схе-мы усилителя на транзисторах и лампах с емкостной связью Частотная характеристика резисторного каскада с емкостной связью может быть разделена на три области частот: нижних НЧ, средних СЧ и верхних ВЧ. В области нижних частот коэффициент усиления Kн снижается (с уменьшением частоты) в ос-новном из-за увеличения сопротивления конденсатора межкас-кадной связи Ср1. Емкость этого конденсатора выбирают достаточ-но большой, что снизит падение напряжения на нем. Обычно низ-кочастотный диапазон ограничивается частотой fH, на которой ко-эффициент усиления снижается до 0,7 среднечастотного значения, т. е. Kн=0,7K0. В области средних частот, составляющих основную часть рабочего диапазона усилителя, коэффициент усиления Kо практически не зависит от частоты. В области верхних частот fB снижение усиления Kв обусловлено емкостью Со=/=Свых+См+Свх (где Свых — емкость усилительного элемента каскада; См — емкость монтажа, Свх — емкость усилительного элемента следующего кас-када) . Эту емкость всегда стремятся свести к минимуму, чтобы ограничить через нее ток сигнала и обеспечить большой коэффициент усиления. Расчет резисторного каскада предварительного усиления. Ис-ходные данные: полоса усиливаемых частот fн-fв = 100-4000 Гц, коэффициент частотных искажений MH Усилители с трансформаторной связью
. Каскады предварительного усиления с трансформаторной связью обеспечивают лучшее-согласование усилительных каскадов по сравнению с каскадами с резисторной емкостной связью и применяются в качестве инверсных для подачи сигнала на двухтактный выходной каскад. Нередко трансформатор используют в качестве входного устройства. Схемы усилительных каскадов с последовательным и параллельным включением трансформатора показаны на. Схема с последовательно включенным трансформатором не содержит резистора RK в коллекторной цепи, поэтому обладает более высо-ким выходным сопротивлением каскада, равным выходному сопро-тивлению транзистора, и применяется чаще. В схеме с параллельно включенным трансформатором требуется переходной конденсатор С. Недостатком этой схемы являются дополнительные потери мощно-сти сигнала в резисторе RK и снижение выходного сопротивления вследствие шунтирующего действия этого резистора. Нагрузкой трансформаторного каскада обычно служит относи-тельно низкое входное сопротивление последующего каскада. В этом случае для межкаскадной связи используют понижающие транс форматоры с коэффициентом трансформации n2=*RB/R"H Частотная характеристика усилителя с трансформаторной связью имеет снижение коэффициента усиления в области нижних и верхних частот. В области нижних частот спад коэффи-циента усиления каскада объясняется уменьшением индуктивного сопротивления обмоток трансформатора, вследствие чего возрастает их шунтирующее де.йствие входной и выходной цепей каскада и снижается коэффициент усиления К=Kо/. На средних частотах влиянием реактивных эле-ментов можно пренебречь. В области верхних частот на коэффициент уси-ления влияют емкость коллекторного перехода Ск и индуктивность рассеи-вания ls обмоток трансформатора. На некоторой частоте емкость Ск и индуктивность Is могут вызвать резонанс напряжения, вследствие че-го на этой частоте возможен подъем частотной характеристики. Иногда этим пользуются для коррекции час-тотной характеристики усилителя.