Н.М.Изюмов, Д.П.Линде
"ОСНОВЫ РАДИОТЕХНИКИ"
М.,Л.; "ЭНЕРГИЯ", 1965г.

ГЛАВА ДЕВЯТАЯ

УСИЛИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

9-3. 

ЛАМПОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ НА СОПРОТИВЛЕНИЯХ

Простейшая схема лампового каскада усиления на сопротивлениях была рассмотрена нами применительно к рис. 8-17 и 8-24. Такой каскад предназначен для усиления напряжения сигнала: усиленное напряжение должно воздействовать на вход следующего каскада для управления его работой. Об усилении мощности здесь говорить не имеет смысла, так как, во-первых, цепь сетки работает без расхода мощности, а, во-вторых, мощность, расходуемая в нагрузочном сопротивлении Rн, сама по себе не является полезной.

Коэффициент усиления напряжения был нами найден применительно к эквивалентной схеме триода на рис. 8-17, б в виде соотношения

(9-8)

а для пентода, характеризуемого соотношением ,

(9-9)

По отношению к простейшей схеме остается сказать только о выборе величины Rн. Из формулы (9-8) легко подсчитать, что брать для триода величину Rн больше, чем 4Ri, не имеет смысла. Действительно, если в формуле (9-8) разделить числитель и знаменатель на Ri, то получим:

 

Если

, то в знаменателе единица окажется столь малым слагаемым, что коэффициент

усиления будет близким к величине без возможностей его дальнейшего повышения. Вместе с тем, выбрав Rн > 4Ri, мы снизим напряжение анодного питания, что может нарушить рекомендуемый режим питания лампы. Поэтому для триодов выбирается , а практически - десятки килоом.

Для пентода также приходится заботиться о сохранении на аноде рекомендуемого заводом напряжения, которое с увеличением Rн, т.е. с уменьшением (на рис. 8-25) угла наклона , достаточно резко уменьшается при данном сеточном смещении. Поэтому и для пентода, как и для триода, Rн берется не более 100 кОм.

Однако простейшая схема должна быть дополнена несколькими вспомогательными, но совершенно необходимыми деталями, которые обеспечивают режим питания данного каскада и передачу усиленного напряжения сигнала на вход следующего каскада. Схема каскада усиления на сопротивлениях (реостатного каскада) изображена в полном виде на рис. 9-4, а. Рассмотрим включенные в нее дополнительные детали.

Рис. 9-4. Каскад усиления на сопротивлениях:
а - полная схема с подогревным пентодом;
б - эквивалентная схема.

Лампа Л1 относится к рассматриваемому каскаду, а лампа Л2 - к следующему. Л1 - пентод; ее экранирующая сетка получает напряжение от анодного источника Ea через гасящее сопротивление Rc2, шунтированное конденсатором Cc2 (см. рис. 8-24, в). Защитная сетка присоединена к катоду. Новым для нас является способ получения смещающего напряжения на управляющую сетку. В цепь катода включено сопротивление Rк, по которому проходит полный катодный ток Iк (сумма анодного и сеточных токов); направлен этот ток на схеме сверху вниз, а потому на верхнем зажиме сопротивления Rк потенциал выше, чем на нижнем. Именно к нижнему зажиму этого сопротивления и присоединяется провод цепи управляющей сетки. Таким образом, постоянное напряжение Ec1 = Iк·Rк служит отрицательным смещением для управляющей сетки. Так, к примеру, если по заводским данным лампы в нормальном режиме

Iк = 3 мА, а Ec1 = 1,5 В, то сопротивление смещения

. Вполне очевидно,

что это напряжение представляет собой небольшую часть напряжения источника анодного питания, т.е. сеточное смещение автоматически создается анодным источником за счет соответствующего снижения напряжения на аноде. Разумеется, такой способ получения смещения без отдельной сеточной батареи вполне применим и для триодов.

В цепи управляющей сетки буквами ГС обозначен генератор или источник сигнала. Он создает на зажимах сетка-катод напряжение Um1, являющееся входным напряжением усилителя. Часть этого напряжения могла бы падать на сопротивлении Rк, но эта часть была бы очень малой, так как сопротивление промежутка сетка-катод в этом режиме близится к бесконечности. И все-таки сопротивление Rк замыкается для переменного тока параллельным конденсатором Cк большой емкости (вплоть до микрофарад).

Смысл включения конденсатора Cк заключается в следующем. Переменный (усиленный) анодный, а значит, и катодный ток создают на сопротивлении Rк переменное напряжение, и это напряжение воздействует обратно на сетку в противофазе с напряжением сигнала. Такое взаимодействие анодной и сеточной цепей называется отрицательной обратной связью. Очевидно, действие сигнала тем самым ослабляется, что равноценно снижению коэффициента усиления. Конденсатор же Cк замыкает для переменного тока участок катодной цепи практически накоротко, тем самым устраняя отрицательную обратную связь.

Детали Rк и Cк того же назначения мы видим и в катодной цепи следующей лампы Л2, причем выбором величины Rк имеется возможность создавать для каждой лампы нужную величину сеточного смещения.

Усиленное напряжение возникает на сопротивлении Ra, включенном в анодную цепь лампы Л1. Но для того, чтобы переменное напряжение с сопротивления Ra воздействовало на управляющую сетку следующей лампы, а постоянное напряжение анодной батареи не попадало бы в цепь этой сетки, между выходом данного и входом следующего каскада ставится разделительный конденсатор Cc емкостью в десятки тысяч пикофарад. Этот конденсатор должен обладать высоким сопротивлением изоляции для постоянного тока. Наличие разделительного конденсатора делает необходимым включение от сетки на катод сопротивления Rc: во-первых, через это сопротивление подается с нижнего зажима сопротивления Rк на управляющую сетку лампы Л2 отрицательное постоянное напряжение смещения; во-вторых, электроны, попадающие с катода лампы Л2 на ее управляющую сетку и способные образовать на ней отрицательный заряд, который может запереть лампу, стекают через сопротивление Rc на катод. Поэтому сопротивление Rc (в сотни килоом и больше) называется иногда сопротивлением сеточной утечки (более грубо - просто "утечкой").

Так составляется схема каскада предварительного усиления (усиления напряжения) на сопротивлениях с применением электронной лампы. Следует еще учесть, что выходные зажимы нашего каскада шунтируются входной емкостью Cвх2 следующего каскада; обычно величина этой емкости исчисляется десятками пикофарад (с учетом емкости сетка-катод, емкости между монтажными проводами и емкости деталей на корпус усилителя). К той же величине Cвх2 следует отнести и выходную емкость лампы Л1, шунтирующую сопротивление Ra.

Теперь мы можем нарисовать эквивалентную схему нашего каскада для переменных напряжений и токов, дополняя перечисленными элементами уже известную нам схему на рис.8-17,б. Мы приходим к схеме на рис. 9-4, б, причем анодное сопротивление Ra соединяем в ней прямо с катодом, считая, что анодный источник питания не представляет сопротивления переменному току; если этот источник - выпрямитель, то переменный ток сигнала замыкается через конденсатор его фильтра Cф.

Наличие в эквивалентной схеме конденсатора Cc, сопротивления Rc, а также емкости Cвх2 влияет на усилительные свойства рассматриваемого каскада, но в разных участках полосы звуковых частот влияния эти различны. На частотах примерно выше 400 Гц конденсатор Cc, имеющий большую емкость, представляет собой настолько малое реактивное сопротивление

, что этим сопротивлением можно пренебречь и считать на этих частотах верхние

концы сопротивлений Ra и Rc соединенными накоротко. Сопротивление малой входной

емкости Cвх2 следующего каскада

на низших и средних частотах, наоборот, очень

велико, так что ее шунтирующим действием можно на этих частотах пренебречь,

Таким образом, на средних звуковых частотах (примерно от 400 до 3000 Гц) нагрузку лампы для переменного тока составляют только сопротивления Ra и Rc, соединенные параллельно:

(9-10)

Следовательно, коэффициент усиления каскада на средних частотах выразится формулами (9-8) и (9-9) с учетом значения Rн из формулы (9-10). Наличие шунта Rc, вообще говоря, снижает усиление, но при правильном выборе деталей , и влияние шунта незначительно. Это легко показать следующим примером. Пусть пентод имеет крутизну S = 4 мА/В, а сопротивления Ra = 30 кОм и Rc = 700 кОм. Тогда без учета влияния Rc усиление было бы
K S·Ra = 4·10 -3·30·103 = 120, а при учете величины Rc оказалось бы

 

При звуковой частоте ниже 400 Гц сопротивление конденсатора Cc становится заметным в

сравнении с Rc, увеличиваясь при понижении частоты. На сопротивлении

падает

часть напряжения, выделенного лампой на сопротивлении Ra, и потому полезное выходное напряжение Um2, снимаемое с зажимов Rc, уменьшается. Иначе говоря, с понижением частоты коэффициент усиления каскада падает. Такая зависимость уже приводилась нами в примерной частотной характеристике на рис. 9-2.

В области высших звуковых частот (или же на сверхзвуковых частотах) заметно уменьшается сопротивление емкости Cвх2, общее сопротивление параллельно соединенных сопротивлений

Ra, Rc и

тоже уменьшается с ростом частоты. Согласно формуле (9-9) это

приводит к снижению коэффициента усиления в области высших звуковых частот, как было показано и на рис. 9-2. Практически при радиотелефонном приеме влияние Cвх2 обычно не проявляется; но при телевизионном приеме с усилением широкой полосы частот (от десятка герц до нескольких мегагерц) влияние шунта Cвх2 может быть столь заметным, что для получения равномерной частотной характеристики приходится брать уменьшенную величину Ra, получая сравнительно небольшое усиление и на средних частотах.

Частотные искажения в широкополосном каскаде усиления можно представить очень наглядно, если рассмотреть усиление видеоимпульса прямоугольной формы. Такого типа сигналы получаются при телевизионном, радиолокационном и некоторых иных видах радиоприема. Чем короче импульс, тем шире спектр составляющих его гармоник. Так, например, если длительность импульса составляет 1 мкс, то в составе его спектра существенно заметны гармоники с частотами до 1 МГц и более.

Для усиления видеоимпульсов, как и для усиления колебаний звуковых частот, целесообразно ставить лампу в режим работы без сеточных токов. Но при импульсах значительной величины рабочая точка выбирается не в середине прямолинейного участка характеристики, а в его нижней или верхней части. Если на сетку действуют импульсы положительного знака (рис.9-5,а), то рабочая точка выбирается в нижней части характеристики; в этом случае при действии импульса анодный ток возрастает, а напряжение на аноде падает. Если же на сетку воздействуют импульсы отрицательного знака (рис. 9-5, б), то рабочая точка выбирается в верхней части левой области характеристики; в таком случае при действии импульса анодный ток уменьшается, а напряжение на аноде лампы возрастает. Таким образом, выходное напряжение оказывается по знаку (по фазе) "опрокинутым" по отношению к входному. Это "опрокидывание фазы" имело место и при усилении синусоидальных колебаний: при повышении напряжения на сетке анодный ток возрастал (см., например, рис. 8-16), а напряжение на аноде падало, и наоборот. Выходное же напряжение снимается именно с зажимов анод-катод (на рис. 9-4 через емкость Cc).

Рис. 9-5. Усиление видеоимпульсов:
а - положительных;
б - отрицательных.

Итак, положим, что на сетку воздействует видеоимпульс отрицательной полярности. Его действие вызывает скачкообразное уменьшение анодного тока и соответственно, скачкообразное уменьшение напряжения, падающего на сопротивлении Ra. Напряжение же на аноде скачкообразно повышается на ту же величину. В результате этого начинает дополнительно заряжаться разделительный конденсатор Cc, и ток его заряда, проходящий (в схеме на рис. 9-4, а) через сопротивление Rc сверху вниз, образует на верхнем конце сопротивления Rc положительный потенциал, действующий на сетку следующей лампы.

По окончании импульса анодный ток скачком увеличивается, а напряжение на аноде снижается до первоначальной величины. При этом конденсатор Cc перестает заряжаться через сопротивление Rc, ток через Rc прекращается и потенциал верхнего конца этого сопротивления становится равным нулю. Такой "идеальный" (неискаженный) процесс усиления видеоимпульса изображен на рис. 9-6, а.

Рис. 9-6. Усиление видеоимпульса: а - без искажений;
б - с искажениями в области высших частот;
в - с искажениями в области низших частот.

Но такой процесс был бы возможен, если бы шунтирующая емкость Cвх2 была равна нулю, а разделительная емкость Cc была равна бесконечности. Иначе говоря, искажения отсутствовали бы, если бы частотная характеристика не имела снижений ни на низших, ни на высших частотах. В реальном же усилителе форма импульса искажается, и процесс искажений можно проследить физически.

Одной из причин искажения импульса является то, что напряжение на аноде не может увеличиться мгновенно, а нарастает постепенно по мере того, как заряжается емкость Cвх2, параллельная сопротивлению Ra. Чем больше произведение Ra·Cвх2, тем медленнее происходит заряд и тем более пологим становится передний фронт импульса на выходе (рис. 9-6, б). Точно так же напряжение на аноде не может мгновенно спадать, так как оно поддерживается зарядом ёмкости Cвх2; эта емкость разряжается постепенно через сопротивление Ra, а потому задний фронт выходного импульса растягивается (рис. 9-6, б). Чем короче усиливаемый импульс, тем более опасен этот вид искажений.

Ввиду того что емкость Cвх2 определяется в основном геометрической структурой электродов лампы Л2, значение этой емкости не может быть сведено к нулю. Чтобы уменьшить описанный вид искажений, приходится брать сопротивление Ra достаточно малой величины, тем самым снижая коэффициент усиления каскада. Для широкополосного усиления видеоимпульсов коэффициент усиления обычно не превосходит 10-15 на каскад (при пентоде со средним значением крутизны).

Другой причиной искажения импульса может быть уменьшение тока, проходящего через сопротивление Rc, и напряжения на этом сопротивлении по мере заряда конденсатора Cc; в результате этого вершина импульса становится наклонной (рис. 9-6, в). Кроме того, после окончания импульса конденсатор Cc, зарядившийся во время действия импульса, разряжается через сопротивление Rc; ток разряда, направленный в Rc снизу вверх, создает на этом сопротивлении "выброс" напряжения обратного знака (рис. 9-6, в). Для уменьшения этого вида искажений нужно иметь большую величину произведения Rc·Cc, чему ставят границу стоимость, габариты, вес и сопротивление изоляции конденсатора Cc и необходимость обеспечить утечку зарядов сетки следующей лампы через сопротивление Rc. Для более коротких импульсов опаснее первый вид искажений, а для более длительных - второй.

Вследствие малого коэффициента усиления одного каскада нередко приходится составлять видеоусилитель из большого числа каскадов. Однако существует возможность компенсировать влияние шунтирующей емкости Cвх2 в некотором участке высших частот и тем самым расширить частотную характеристику на этом участке или, иначе говоря, уменьшить первый вид искажений импульса (рис. 9-6, б). Для этого последовательно с сопротивлением Ra включается небольшая индуктивность La (рис. 9-7). На участке высших частот индуктивность La и емкость Cвх2 образуют разветвление, дающее резонанс токов, т.е. их проводимости взаимно компенсируются, и причина снижения усиления на этом участке частот устраняется. Включение индуктивности называется высокочастотной коррекцией усилителя видеоимпульсов.

Рис. 9-7. Широкополосный каскад с коррекцией в области высших частот.

В заключение следует сказать, что и в радиовещательных, и в телевизионных ламповых приемниках каскады усиления низкой частоты на сопротивлениях применяются широко благодаря своей простоте и хорошему качеству усиления.

В этой главе:
9-1. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ
9-2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УСИЛИТЕЛЯХ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ
9-3. ЛАМПОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ НА СОПРОТИВЛЕНИЯХ
9-4. ТРАНЗИСТОРНЫЕ УСИЛИТЕЛИ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ НА СОПРОТИВЛЕНИЯХ
9-5. СТАБИЛИЗАЦИЯ ПИТАНИЯ ТРАНЗИСТОРНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
9-6. ВЫХОДНЫЕ КАСКАДЫ УСИЛИТЕЛЕЙ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ
9-7. ПРЕДМОЩНЫЕ КАСКАДЫ. ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ В УСИЛИТЕЛЯХ
9-8. УСИЛИТЕЛИ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ
9-9. УСИЛИТЕЛИ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ
9-10. СОБСТВЕННЫЕ ШУМЫ УСИЛИТЕЛЕЙ
9-11. ЗАДАЧИ МИНИАТЮРИЗАЦИИ
ВСЕГДА ВЫРУЧИТ ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО от одной батарейки!

Вы не останетесь без связи в самый нужный момент - в качестве источника энергии выступит обычная батарейка типа АА...

Удобная почтовая доставка не только по России...

 
Более 3000 типов оригинальных аккумуляторов...

...для смартфонов и мобильных телефонов LG, Samsung, Motorola, Nokia, Sony Ericsson и др.

Доставка почтой, курьером...

webmaster@radio-1895.ru