Каскодная схема на лампах: принцип работы, преимущества и особенности применения — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое каскодная схема на лампах. Как работает каскодный усилитель. Каковы основные преимущества каскодных схем перед обычными усилительными каскадами. Какие особенности нужно учитывать при проектировании и настройке каскодных усилителей.

Содержание

Принцип работы каскодной схемы на лампах

Каскодная схема представляет собой последовательное соединение двух усилительных каскадов — с общим катодом и с общей сеткой. Такое включение позволяет объединить преимущества обоих типов каскадов:

Каскад с общим катодом обеспечивает высокое входное сопротивление и усиление по напряжению
Каскад с общей сеткой имеет низкую проходную емкость и высокое выходное сопротивление

В результате получается усилительный каскад с высоким коэффициентом усиления, низкой проходной емкостью и широкой полосой пропускания.

Основные преимущества каскодных схем

По сравнению с обычными усилительными каскадами на триодах или пентодах, каскодные схемы обладают рядом важных преимуществ:

Более высокий коэффициент усиления при той же анодной нагрузке
Значительно меньшая проходная емкость и, как следствие, более широкая полоса пропускания
Снижение эффекта Миллера и уменьшение искажений
Более низкий уровень шумов по сравнению с пентодными каскадами
Возможность работы при высоких анодных напряжениях

Особенности расчета и настройки каскодных усилителей

При проектировании и настройке каскодных усилителей нужно учитывать ряд важных моментов:

Необходимо правильно выбрать рабочие точки обеих ламп по постоянному току
Требуется тщательный подбор ламп по параметрам для обеспечения оптимальной работы схемы
Нужно обеспечить надежную развязку по питанию между каскадами
Важно минимизировать паразитные емкости монтажа
Для снижения искажений рекомендуется применять местную отрицательную обратную связь

Применение каскодных схем в ламповой технике

Каскодные усилительные каскады нашли широкое применение в различных областях ламповой техники:

Входные каскады высококачественных предусилителей
Усилители промежуточной частоты в радиоприемниках
Широкополосные усилители для осциллографов
Усилители видеосигнала в телевизионной технике
Драйверные каскады в мощных усилителях звуковой частоты

Типовые схемы каскодных усилителей на лампах

Рассмотрим несколько характерных схем каскодных усилителей на различных типах ламп:

Каскодный усилитель на двойном триоде

Классическая схема каскодного усилителя на двойном триоде типа 6SN7 или 6N8S:

«` Вход +B Выход V1

V2 Rk Ra «`

В этой схеме нижний триод V1 работает в режиме с общим катодом, а верхний V2 — в режиме с общей сеткой. Резистор Rk обеспечивает автоматическое смещение для обоих триодов. Анодная нагрузка Ra подключена к аноду верхнего триода.

Каскодный усилитель на пентоде и триоде

Для получения еще более высокого усиления иногда применяют комбинацию пентода в нижнем плече и триода в верхнем:

«` +B Выход V1 V2 Rk Ra «`

В данной схеме нижняя лампа V1 — пентод, работающий в режиме с общим катодом. Верхняя лампа V2 — триод в режиме с общей сеткой. Такая комбинация позволяет получить очень высокий коэффициент усиления при сохранении преимуществ каскодной схемы.

Настройка и оптимизация каскодных усилителей

Для получения максимальной производительности каскодного усилителя необходимо тщательно настроить режимы работы обеих ламп. Основные параметры, которые следует оптимизировать:

Анодные токи и напряжения обеих ламп
Напряжение смещения на сетках
Величина катодного резистора
Значение анодной нагрузки

При настройке нужно контролировать следующие характеристики:

Коэффициент усиления каскада
Уровень нелинейных искажений
Частотная характеристика
Уровень шумов
Максимальное выходное напряжение

Оптимальные параметры подбираются экспериментально с учетом конкретных требований к усилителю и применяемых типов ламп.

Заключение

Каскодные схемы являются мощным инструментом в арсенале разработчика ламповой аппаратуры. При грамотном применении они позволяют создавать высококачественные усилители с отличными характеристиками. Несмотря на кажущуюся сложность, каскодные усилители при правильном расчете и настройке обеспечивают превосходные результаты.

Каскод (каскодная схема)

Каскод (каскодная схема)

Итак, применение экранированных ламп (пентодов) позволяет свести на нет проблему вредного влияния проходной емкости, однако ухудшает показатели качества усилителя по нелинейным искажениям и шумам. Это противоречие успешно разрешается применением составной, так называемой каскодной, схемы, обладающей преимуществом пентодов, но лишенной его недостатков (рис. 3.16).

Рис. 3.16 Каскад (каскодная схема)

Каскодная схема имеет значительное сходство с рассмотренным выше усилителем на пентоде в расположении компонентов (R₁, R₂, С₁,), что по конфигурации даже несколько напоминает цепь питания экранирующей сетки. В действительности, каскадная схема, как и лампа пентод обладает очень большим внутренним сопротивлением га, примерно равным га нижней электронной лампы, умноженное на (μ+ 1) верхней электронной лампы.

Рассмотрим работу каскодной схемы. Верхняя электронная лампа работает на обычную резистивную анодную нагрузку R_h, однако управление (модулирование) входного напряжения сетка-катод V_CK осуществляется не изменением напряжения управляющей сетки при фиксированном потенциале катода, а наоборот: потенциал управляющей сетки остается неизменным (она по переменному току соединена с землей конденсатором), а изменяется напряжение на катоде. Поскольку, управляющая сетка верхней лампы заземлена по переменному току, она выполняет роль электростатического экрана между катодом и анодом верхней лампы, аналогично тому, как экранирующая сетка в пентоде является экраном между управляющей сеткой и анодом. Таким образом, проходная емкость каскодной схемы, то есть емкость между управляющей сеткой нижней лампы и анодом верхней лампы оказывается очень малой, что сводит на нет и эффект Миллера, а внутренне сопротивление

r_а оказывается большим. В конечном итоге, электростатическое экранирование входной цепи от выходной, как в пентоде (путем заземления по переменному току экранирующей сетки), так и в каскодной схеме (путем заземления по переменному току управляющей сетки верхней лампы), значительно уменьшает степень влияния управляющей цепи на напряжение, падающего на анодной нагрузке R_H.

Постоянное напряжение на управляющей сетке верхней лампы при помощи резистивного делителя напряжения устанавливается таким, чтобы ее рабочая точка находилось на середине линейного участка статических характеристик. Это напряжение положительное относительно земли, однако, отрицательное относительно катода верхней лампы, потенциал которого выше, нежели потенциал сетки. Это означает, что ток управляющей сетки верхней лампы отсутствует, в отличие оттока экранирующей сетки пентода, что сводит на нет и проблему шумов, возникающих за счет токораспределения в пентоде. Наконец, отметим, что верхняя лампа, в отличие от нижней, не является фазоинвертирующей, поскольку по переменному току заземлен не катод, а управляющая сетка. Такую схему включения называют

«общая сетка», в отличие от ранее рассмотренных нами схем, называемых «общий катод».

Что же касается нижней электронной лампы, то она работает как обычный каскад на триоде с общим катодом, однако, в отличие от ранее рассмотренных схем, роль ее анодной нагрузки выполняет цепь катода верхней лампы.

Так как динамическое сопротивление со стороны катода верхней лампы, как правило, небольшое, коэффициент усиления нижней электронной лампы небольшой, по этой причине его емкость Миллера также будет незначительной.

Так как верхняя лампа представляет собой для нижней лампы анодную нагрузку с невысокой величиной сопротивления, то нижняя лампа не может работать с большим размахом выходного напряжения. В противном случае это приведет к значительным нелинейным искажениям. К счастью, основной вклад в коэффициент усиления каскодной схемы обеспечивается верхней лампой, что в значительной степени решает эту проблему.

Важно отметить, что в каскодной схеме очень желательно применять специально разработанные именно для таких схем электронные лампы, а не случайные. Это даст гарантию высоких показателей качества спроектированного усилителя. Примерами ламп для каскодной схемы могут служить сочетания следующих типов: ЕСС88 и 6DJ8 или ЕСС88 и 6922 (серия ламп повышенного качества).

Обратимся теперь к примеру разработки каскодной схемы. Обычно, величина постоянного напряжения на аноде нижней лампы выбирается не более одной трети и не менее одной четверти от общей величины ВН, приложенного между анодом верхней лампы и землей. Пусть напряжение анодного питания каскада ВН равно 285 В, а величина постоянного напряжения на аноде нижней лампы составляет 75 В. Тогда падение постоянного напряжения между катодом и анодом верхней лампы составит 210В (рис. 3.16).

Величины анодной нагрузки и напряжения смещения между управляющей сеткой и катодом верхней лампы выбираются обычным вышеописанным способом — при помощи нагрузочной линии (рис. 3.17). В рассматриваемом примере R_H = 100 кОм, V_CK = —2.5 В. Размах переменного напряжения на аноде при этом составляет V_a = 76,5 В, что дает особенно линейную рабочую точку. В этом случае анодный ток покоя будет равен 1,34 мА.

Рис. 3.17 Выбор рабочей точки верхней электронной лампы каскодной схемы

Поскольку анод нижней электронной лампы, а, следовательно, и катод верхней лампы, находятся под положительным потенциалом в 75 В, а на управляющей сетке верхней электронной лампы требуется обеспечить напряжение смещения V_CK—2,5 В относительно катода, это означает, что на управляющую сетку верхней электронной лампы требуется подать постоянное напряжение 72,5 В относительно общего провода (земли). Поскольку через сетку верхней электронной лампы ток не течет (в силу того, что ее потенциал относительно катода отрицательный), необходимое постоянное напряжение на ней относительно земли устанавливается делителем напряжения, и полностью определяет режим верхнего каскада, включенного по схеме с общей сеткой. При расчете сопротивлений резисторов этого делителя нужно быть очень внимательным, чтобы не превысить максимально допустимое сопротивление утечки сетки верхней электронной лампы, которое для Е88СС/6922 равно 1 МОм. В рассматриваемом примере общее сопротивление схемы делителя напряжения равно 560 кОм, что укладывается в допустимые пределы. При расчете делителя, разумеется, предполагалось, что внутренне сопротивление источника питания постоянного тока ВН равно нулю. Величина блокировочного конденсатора, обеспечивающего заземление управляющей сетки верхней лампы по переменному току, рассчитывается также, как и для рассмотренного выше примера с пентодом (с учетом общего сопротивления делителя напряжения) и по тому же критерию: частота среза RC цепи должна составлять 1 Гц. По результатам расчета нам нужен конденсатор 0,33 мкФ, что значительно меньше по сравнению с конденсатором 3,3 мкФ для блокировки экранирующей сетки пентода EF86 в предыдущем примере.

При расчете режима нижней лампы будет удобнее воспользоваться не выходными (анодными) статическими характеристиками лампы, а проходными (анодно-сеточными), показывающими зависимость анодного тока от напряжения на управляющей сетке при фиксированном анодном напряжении. Проходные характеристики рассматриваемой лампы приведены на рис. 3.18.

Рис. 3.18 Сеточно-анодные характеристики триода

Выше мы сделали вывод о том, что ток управляющей сетки верхней лампы отсутствует. Это значит, что ее ток анода равен току катода. В то же время, глядя на схему, очевидно, что ток катода верхней лампы равен току анода нижней лампы. Таким образом, токи анодов обеих ламп равны. Выше мы задались значением постоянного напряжения на аноде нижней лампы равным 75 В. Теперь на семействе проходных характеристик лампы (см. рис. 3.18) находим (или достраиваем дополнительно) статическую характеристику, снятую при фиксированном анодном напряжении, равным 75 В, и находим на ней точку, соответствующую найденной выше величине анодного тока (одинаковой для обеих ламп) равной I_а = 1,34 мА (токи верхнего и нижнего анодов равны). Найденная точка и есть рабочая точка нижней электронной лампы, соответствующая (по ой же статической характеристике) напряжению на управляющей сетке V_CK около 2,6 В. Теперь на семействе анодных статических характеристик находим точку, соответствующую анодному напряжению V_a = 75 В и анодному току I_а = 1,34 мА. Через найденную точку будет походить анодная характеристика, соответствующая напряжению на управляющей сетке равному V_CK = 2,4 В. Несовпадение найденных графически напряжений смещения объясняется просто: графический метод расчета предполагает линейность рабочей области статических характеристик, однако, эта небольшая погрешность вполне допустима. На практике достаточно лишь усреднить найденные значения: таким образом, V_CK = 2,5 В. Теперь можно рассмотренным в предыдущих примерах способом подсчитать необходимую величину резистора катодного автосмещения для нижней лампы. По результатам расчета R_H= 1,8 кОм.

Поскольку каскодная схема содержит нижнюю лампу, включенную с общим катодом, и верхнюю лампу, включенную с общей сеткой, то такой каскад является инвертирующим, как и одиночный каскад на триоде или пентоде с общим катодом. Объясняется это просто — нижняя лампа с общим катодом инвертирует усиливаемый сигнал, а верхняя с общей сеткой — нет.

Коэффициент усиления каскодной схемы можно рассчитать по следующей формуле (индексы «1» соответствуют нижней электронной лампе, а индексы «2» — верхней электронной лампе). Разумеется, расчет ведется в предположении равных токов анодов ламп.

Итак, необходимо найти крутизну gm нижней электронной лампы. Это легко делается, используя проходные характеристики лампы, измерением угла наклона в рабочей точке, например, методом приращений.

Также необходимо найти статическое внутренне сопротивление r_а верхней лампы, но это не так легко, так как отсутствует необходимая статическая характеристика, соответствующая V_c = —2,5V. Здесь возможно два варианта: либо достроить нужную статическую характеристику, воспользовавшись семейством проходных характеристик, либо интерполировать по соседним характеристикам. Воспользуемся вторым способом, взяв статические характеристики по обе стороны от рабочей точки (тем более, что в рассматриваемом примере они симметричны относительно нее). Итак, берем две характеристики, соответствующие V_c = —2V и V_c = — 3V (рис. 3.19).

Рис. 3.19 Нахождение r_а для двух значений V_c

Следовательно, можно считать, что при V_c = 2,5 В, r_а = 6 кОм. Наконец, графическое нахождение статического внутреннего коэффициента усиления μ в рабочей точке обеих электронных ламп дает одинаковое значение: μ = 32,5.

Подставив все эти значения в формулу, найдем коэффициент усиления каскодной схемы равный 214. Иногда расчет ведут по сильно упрощенной формуле A_v = gm1 * R_h, в результате чего будем иметь коэффициент усиления равный 270, который завышен на 2 дБ по сравнению с расчетом по точной формуле. Тем не менее, приближенный расчет бывает полезна, — в качестве предварительной оценки коэффициента усиления на приемлемость.

Теперь можно подсчитать коэффициенты усиления нижней и верхней ламп в отдельности. Это позволяет найти размах анодного напряжения на нижней лампе, что позволит оценить линейность (обычным способом по статическим характеристикам) и емкость Миллера. Коэффициент усиления верхней лампы легко определяется по нагрузочной линии (как и в предыдущих примерах). В результате получаем коэффициент усиления 30. Коэффициент усиления нижней лампы в таком случае (исходя из общего коэффициента усиления и коэффициента усиления верхней лампы) должен быть равен 7,1. Теперь вычислим емкость Миллера для нижней лампы: Проходная емкость лампы типа Е88СС равна С_ас = 1,4 пФ, таким образом, емкость Миллера:

Так как эта величина небольшая, то нужно учесть и паразитные емкости — 3,3 пФ — входная емкость лампы, и ориентировочно 3 пФ внешние (монтажные) паразитные емкости, что дает общее значение 18 пФ. Это не так хорошо, как в случае применения пентода, который мы рассматривали ранее, но если бы каскад на пентоде мог бы работать при такой же анодной нагрузке в 100 кОм, то его коэффициент усиления и емкость Миллера были бы примерно вдвое больше, что даст соизмеримый результат. Да и при любом раскладе каскадная схема лишена основных недостатков усилителей на пентодах. Величины резистора катодного автосмещения нижней лампы и его развязывающего конденсатора вычисляются обычным для триода способом (см. выше).

Выше уже обращалось внимание на то, что нижняя лапа работает с небольшим коэффициентом усиления при малом размахе анодного напряжения, что негативно сказывается на линейности каскада. Исправить эту ситуацию можно путем увеличения анодного тока нижней лампы, что легко обеспечивается, путем включения между ее анодом и источником анодного питания ВН дополнительного резистора (рис. 3.20). Разумеется, в этом случае, анодные токи нижней и верхней ламп перестают быть равными, как это было в предыдущем примере.

Рис. 3.20 Увеличение I_а нижней электронной лампы в каскаде

Как крайний пример — может понадобиться каскод с малыми шумами и низким искажением. Используем половину сдвоенного триода 6SN7 как верхнюю электронную лампу, таким образом можно установить ток анода равный 8 мА (при этом токе хорошая линейность). Тем не менее, если нижняя электронная лампа будет соединенный по схеме триода пентод Е81, пропускающий 45 мА, то потребуются дополнительные 37 мА. Если V_a= 100 В для E810F и ВН = 400 В, то:

Все схемы, которые включают в себя рабочие катоды при напряжении значительно выше нулевого имеют проблемы из-за токов утечки нити накала/катода и максимальное допустимое напряжение между нитью накала и катодом V_нк. Это не редкость, что катод лампы не шунтируется и, следовательно, имеет на себе напряжение сигнала. Если, как в каскоде, коэффициент усиления катода верхней электронной лампы низкий, и мы используем прибор, потому что у него хорошая шумовая характеристика, то вероятно, что напряжение сигнала на этом катоде очень небольшое, возможно только несколько милливольт. Токи утечки через изоляцию нити накала/катода становиться больше при повышении V_нк, таким образом, комбинация V_нк= 75 В со слабым напряжением сигнала, означает, что влияние может быть значительно. Автор однажды сделал схему, используя электронные лампы, которые были рассчитаны на V_{нк(макс)}^{=150 В. Электронные лампы работали при V_нк = 120 В и имели низкочастотный шум, который устранялся
только подключением соответствующих нитей накала к источнику питания 150 В постоянного тока. Имеется понятное нежелание делать
это, потому что это означает, что необходимы два или более источника питания нитей накала, один подключен к земле, как обычно,
а другой подключен к высокому напряжению. Мы вернемся к этой практической проблеме позже.}

Радиолюбительские схемы

Каскодный анодный повторитель — Усилители, Лампы, Трансформаторы

abird

Местный

Экспериментируя на тему Лаконика после прочтения книги Ложникова и Сонина «Каскодные усилители» родилось следующее решение: на вход поставить каскодный анодный повторитель, у которого коэффициент передачи близкий к единице, и использовать его инвертированный выход и входной сигналы для управления каскодным катодным повторителем. При этом отпадает необходимость в анодном сопротивлении и проходном конденсаторе для управления сеткой нижней лампы выходного каскада, схема упростилась и стала более симметричная: анодный + катодный каскодные повторители на одинаковых лампах. У что думают гуру по этому поводу?

Для такой схемы понадобится 4 совершенно одинаковых триода с одинаковыми анодными токами ( а не с разными, как в приведённой схеме). А нафига такой наворот? В приведённой схеме выходное сопротивление как у обычного катодника, а искажений может оказаться больше.

Не может быть, чтоб лапти воду пропускали!:lol:
Если удалось изменить выходное сопротивление последнего каскада изменением схемотехники первого, и не применяя при этом общей ОС, значит, автору схемы надо ехать за нобелевской премией.
Существует только два способа уменьшить выходное сопротивление — или ПОС по току, или ООС по напряжению. Третий — понижающий трансформатор. Другие способы науке доселе неизвестны.

Чудес не бывает — схемотехника второго каскада тоже претерпела некоторые изменения! Несмотря на внешнюю схожесть обратная связь ведь убрана и это не могло пройти бесследно. Вот результаты замеров: выходное сопротивление 110 Ом, Коэфициент усиления не нагруженного каскада — 1.75. Давайте сравним эти данные с даннами выходных сопротивлений из выше приведенной книги для этой же лампы 6Н6П (стр.92): катодный каскодный повторитель — 34 Ом, катодный повторитель с паралельно включенными триодами — 128 Ом, обычный катодный повторитель — 255 Ом. Так что все по Ломоносову — сопротивление увеличилось, но и коэфициент усиления стал больше 1. В данном случае выходной каскад правильнее назвать каскодным пушпулом, а не повторителем. О подборе ламп — на самом деле усиление первого каскада почти единица, но все же чуть меньше, поэтому подбор лучше оказалось вести не по току, а коэфициенту усиления — потому и лампы включены этажами, а не каскадами. На практике подбор делался по минимуму гармоник на выходе (из шести ламп разных годов выпуска были отобраны 2 пары, если в отобранной паре лампы переставить местами, то уровень гармоник вырастает(или уменьшается — это с какой стороны смотреть) в раз пять -в кои-то веки разброс параметров оказался на руку. При этом есть дополнительный плюс — отсутствует разность потенциалов между катадоми половинок и подогревателем (если конечно их отдельно запитать).

В последнем сообщении я привел измеренные данные на макете, в книге приведены тоже данные эксперементальные (впрочем там есть и расчетные). Выходное сопротивление считалось по формуле из той же книги Rвых=(Uвых_o/Uвых-1)*Rн (может она не подходит для этого случая?). Вот с режимами возможны вы правы — они вполне могут отличаться (в книге они не приводятся).

Если верить справочнику Кацнельсона-Ларионова, где написано, что мю 6Н6П равно 20, а крутизна — 11мА/В при анодном токе 30мА, выходное сопротивление классического катодника с источником тока в катоде получается 86.6 ом. В приведённой выше схеме оно составит 82.7 ома. Точно такое же сопротивление будет, если нагружать классический катодник не на внутреннее сопротивление нижнего триода, а на резистор, равный этому внутреннему сопротивлению -1818.2 ома.
При других значениях анодного тока величина Ri и S может сильно отличаться.

Формализмы упрощают и облегчают нашу работу, но заставляют не думать, а применять готовые шаблоны. Такова формальная классификация каскадов транзисторных усилителей «общий каскад» или, более конкретно, в данном случае представление каскодной схемы как каскадного каскада «общий исток» и «общий затвор».

Интуитивное (истинное) понимание электрических цепей требует, чтобы мы спустились на еще более низкий функциональный уровень, где мы можем объяснить явления цепи с помощью эквивалентных «управляемых человеком» электрических цепей. Выполняя (медленно и даже пошагово) функции активных устройств, мы понимаем, что они делают. Я продемонстрировал этот эвристический подход в причудливой истории, посвященной этому блестящему схемному решению.

Если мы соединим два разнородных источника электроэнергии ( напряжение и ток ) друг к другу, они сохранят свои величины постоянными и обеспечат друг другу идеальные условия нагрузки: источник напряжения «увидит» разомкнутую цепь и источник тока — короткое замыкание. Как мы увидим ниже, они даже «помогают» друг другу, когда один из них (здесь текущий источник) пытается изменить свое количество.

В электрических цепях мы используем только один источник напряжения (источник питания) для создания множества падений напряжения и токов через резисторы. Мы называем их «источниками напряжения» и «источниками тока», хотя они не производят, а потребляют энергию.

В электронных схемах источники тока и напряжения реализованы на транзисторах. В целях интуитивного понимания их можно рассматривать как «резисторы» со «статическим» сопротивлением Ом Rce = Vce/Ic, которые управляются напряжением база-эмиттер (затвор-исток).

Как видно из схемы выше, RI играет роль J2, а RV играет роль J1 из схемы OP. В частности, RI устанавливает ток (с помощью RV), а RV устанавливает напряжение (с помощью RI). Фактически, два резистора образуют делитель напряжения, в котором ток задается как RV + RI, а напряжение устанавливается как RI/(RV + RI).

«Игра». Чтобы сымитировать поведение транзисторов в этом виртуозном эксперименте 🙂 требуется немного больше ловкости. Основная проблема заключается в том, что напряжение и ток взаимозависимы и требуют итеративной настройки. Например, предположим, что вы хотите увеличить входной ток. Вы можете сделать это так: Сначала откройте Окно параметров RI и начинаем слегка уменьшать сопротивление RI глядя на амперметр, пока он не покажет желаемую величину тока. Потом смотрим на вольтметр… А, напряжение немного уменьшилось 🙁 Для его увеличения (восстановления) закрываем окно РИ, открываем окно РВ параметры и начинаем постепенно уменьшать сопротивление РВ глядя на вольтметр. Ах, но теперь ток немного увеличился 🙁 Итак, повторите процедуру с самого начала… и так до тех пор, пока напряжение снова не станет 5 В, а ток не будет иметь нужное значение…

Взаимодействующие источники. Теперь посмотрим, как источники «помогают» друг другу. Пусть ты будешь источником напряжения, а я буду источником тока. Когда я хочу увеличить ток, я начинаю уменьшать RI; но вы видите, что напряжение Vref уменьшается, и для его увеличения вы также начинаете уменьшать RV. Таким образом вы помогаете мне в моем желании уменьшить общее сопротивление и увеличить ток. Итак, мы можем сделать вывод:

Когда источник тока решает установить новую величину тока, он начинает изменять RI, чтобы установить новое полное сопротивление RI + RV. В ответ источник напряжения начинает изменять RV, чтобы сохранить отношение RI/(RI + RV). В конце концов они достигают равновесия (в этой процедуре есть сходимость).

Игровой трюк. Это довольно медленно… но в эту «игру» могут играть два человека… даже удаленно. Кстати, вы можете использовать еще один простой прием. Как видите, я выбрал одинаковые пусковые сопротивления 2,5кОм. Вы можете сразу изменить их одновременно; напряжение не изменится, поскольку отношение RI/(RV + RI) остается постоянным.

Хитрости CircuitLab. В эту «игру» немного сложно играть, потому что CircuitLab не предназначена для этой цели, и мы должны использовать некоторые приемы, такие как:
— Измерительные приборы. Если окно «параметры» скрывает измерительные приборы, вы можете временно перетащить их из схемы, чтобы увидеть их показания. Или вы можете временно подключить новые с помощью длинных проводов или по беспроводной сети с помощью помеченных заметок. См., например, схему ниже.

— Помеченные узлы. Вы также можете временно перетаскивать узлы меток или подключать их копии по беспроводной сети к исходным маркированным заметкам, чтобы видеть их, когда параметры окно открыто. С помощью интерактивной симуляции постоянного тока CircuitLab наведите указатель мыши на помеченный узел и введите параметр в окне, наблюдая за показаниями.

— «Слайдеры». Вчера мне удалось найти способ сымитировать «слайдер» в CircuitLab. Хитрость заключается в следующем: например, вы хотите изменять сопротивление от 0 до 10 кОм с шагом в 1 кОм. В поле «параметры» вы сначала пишете «0». Затем вы отмечаете его и пишете над ним «1». Итак, вы продолжаете с 2, 3… 10 k. В результате последовательность сохраняется в буфере клавиатуры, и вы можете перемещаться назад (нажатием CTRL X) или вперед (нажатием CTRL Y). Конечно, лучше всего это делать с помощью клавиш со стрелками (когда «параметры» исчезли)… и это привет разработчикам CircuitLab 🙂

Наша «управляемая человеком каскодная схема» производит выходной ток; но нам нужно напряжение. Итак, подключите резистор Rc, действующий как преобразователь тока в напряжение , и возьмите дополнительное напряжение Vout как заземленный выход. Это будет возмущать вашу схему, но вы компенсируете это, поскольку действуете по принципу отрицательной обратной связи.

Цепь постоянного тока. Теперь осталось только заменить резисторы на транзисторы и получится настоящая схема каскода. Я начал с реализации BJT, потому что она проще. Процедура аналогична описанной выше, за исключением того, что здесь мы регулируем входные напряжения вместо сопротивлений.

Интересно сравнить эту транзисторную схему с «резисторной первой» выше (ШАГ 5). Как видите, они электрически эквивалентны — если вы замените транзисторы в ШАГЕ 6 на резисторы в ШАГЕ 5 или резисторы в ШАГЕ 5 на транзисторы в ШАГЕ 6, ничего не изменится. Таким образом, соответствующие «статические» сопротивления эквивалентны: RV = VRV/Ic = VQVce/Ic = RQIce и RI = = VRI/Ic = VQIce/Ic = RQIce.

Цепь переменного тока. Давайте, наконец, сделаем (почти) настоящий каскодный усилитель переменного тока — для простоты, без разделительных конденсаторов и цепей смещения. Для этого я заменил источник входного напряжения постоянного тока на источник переменного тока; затем установите входное напряжение переменного тока 10 мВ и напряжение смещения 0,677 В в «параметрах Vin», чтобы «поднять» входное напряжение переменного тока (смещение QI).

По сравнению с выходным напряжением амплитуда входного переменного напряжения слишком мала (всего 10 мВ), чтобы ее можно было увидеть на графике, а каскодная схема усиливается более чем в 100 раз. Мы также видим, что напряжение коллектора QI (Vref) является постоянным (5 В), что является целью этой странной конфигурации схемы.

JFET — это странное устройство, которое, вопреки нашей интуиции, полностью равно на , когда входное напряжение затвор-исток равно нулю. Кроме того, N-канальный JFET требует подачи на затвор отрицательного входного напряжения. Нас это очень раздражает, потому что мы предпочитаем использовать только один источник питания, желательно положительный.

ШАГ 7.1: Цепь постоянного тока (фиксированное смещение). Итак, для смещения N-канального JFET нам нужен другой, но отрицательный источник напряжения Vin. В соответствии с описанной выше процедурой, чтобы установить ток 2 мА через Rd, я подал -830 мВ на затвор J2. Затем, чтобы установить Vm = 5 В, мне пришлось установить Vref = 4,174 В.

ШАГ 7.2: Цепь постоянного тока (самозамкнутая). К счастью, есть решение, позволяющее избежать второго источника напряжения. Если между истоком и землей вставить резистор Rs, через него начинает протекать ток стока и на нем появляется падение напряжения. Это напряжение положительно относительно земли, но кажется отрицательным для входа затвор-исток, если затвор через что-то (источник входа, резистор…) подключен к земле. Итак, в приведенном выше фиксированном смещении затвор «опущен» под землю (отрицательно), а здесь исток «поднят» (отрицательно) … но в обоих случаях напряжение затвор-исток отрицательное. Это отрицательное напряжение пытается выключить транзистор; но это уменьшает ток и напряжение, и в конце концов достигается равновесие. Этот механизм известен как «отрицательная обратная связь».

Таким образом, транзистор «самозамещается». Вы можете отрегулировать напряжение смещения на Rs, изменив сопротивление. Итак, если есть истоковый резистор, вам не нужно подавать отрицательное напряжение на затвор, поскольку оно уже приложено.

ШАГ 7. 3: Цепь переменного тока (фиксированное смещение). Отличие от приведенной выше схемы постоянного тока (с фиксированным смещением) заключается в том, что источник постоянного тока заменяется источником переменного тока 100 мВ и добавляется напряжение смещения -830 В (в окне параметров Vin ), чтобы «понизить» входное напряжение переменного тока ( предвзятость ЦИ).

ШАГ 7.4: Цепь переменного тока (самозамкнутая). Единственная разница с приведенной выше схемой постоянного тока (с автосмещением) заключается в том, что источник постоянного напряжения заменен источником переменного тока 100 мВ. Напряжение смещения равно 0 В, поскольку смещение (точка Q) обеспечивается падением напряжения на резисторе Rs.

ШАГ 7.5: Цепь переменного тока (самозамкнутая) с конденсаторами. Наконец, давайте сделаем практичный каскодный усилитель переменного тока:
Обозначение делителя напряжения. В моделировании мы можем использовать множество источников напряжения, но в реальных схемах это нецелесообразно; поэтому мы получаем производные напряжения от основного источника питания. Проще всего это сделать с помощью делителя напряжения. Для этого мы соединяем два резистора (R1 и R2) последовательно, питаем эту сеть и используем падение напряжения Vref на R2 в качестве эталона для затвора J1.

Конденсаторы связи. Обычное объяснение так называемых «конденсаторов связи» состоит в том, что «они останавливают постоянный ток и пропускают переменный ток». Давайте посмотрим на проблему с другой точки зрения и попробуем найти лучшее объяснение.
— Входной конденсатор. Входное напряжение переменного тока, подаваемое на затвор J2, должно «колебаться» вокруг земли. Но это может быть произведено тем же каскадом усилителя; то он будет «качаться» около 8 В (я сымитировал эту ситуацию, установив смещение 8 В в Vin 9). 0007 параметры окна ). Значит, надо как-то его с 8 В понизить (до нулевого уровня)… т.е. вычесть из него 8 В. Мы можем сделать это, подключив источник напряжения 8 В противоположной полярности между выходом предыдущего каскада и входом этого каскада (затвор J2). В усилителях переменного тока такими «источниками смещения напряжения» служат заряженные конденсаторы. Итак, давайте подключим конденсатор C1 между источником входного напряжения и затвором J2. Он будет заряжаться через Rg и будет работать как «аккумулятор» на 8 В.
— Выходной конденсатор. Точно так же выход этого каскада («повышенный» до 8 В) может управлять входом другого каскада или любой другой нагрузки, которая «покачивается» вокруг земли. Таким образом, мы можем применить тот же метод, подключив другой конденсатор связи С2 между выходом и нагрузкой RL (поэтому он должен быть «гальваническим»). Он будет заряжаться через RL и будет действовать как еще одна «аккумуляторная батарея» на 8 В.

Развязывающие конденсаторы. Вышеупомянутые разделительные конденсаторы являются «плавающими» и подключены последовательно к источникам переменного напряжения; поэтому они передают («перемещают», «перемещают») колебания напряжения. И наоборот, если мы подключим конденсатор параллельно источнику постоянного напряжения, это сделает его «еще более постоянным». Таким образом, работающие от него устройства не будут влиять друг на друга; они будут «развязаны».
— Эталонный развязывающий конденсатор. Несовершенство простого «источника делителя напряжения», как R1-R2 выше, проявляется, когда нагрузка потребляет ток; поэтому его выходное напряжение падает. К счастью, полевые транзисторы JFET не потребляют ток, но еще одной проблемой могут быть быстрые перепады напряжения. Итак, к выходу делителя напряжения подключим «развязывающий конденсатор» Cref. Он будет действовать как своего рода небольшая «резервная батарея», поддерживающая почти постоянное напряжение.
— Конденсатор развязки источника. Резистор Rs, вставленный между истоком J2 и землей, создает отрицательную обратную связь, которая полезна для постоянного тока, но уменьшает усиление по переменному току. Проблема заключается в том, что падение напряжения на резисторе Rs меняется в зависимости от изменений входного напряжения и уменьшения напряжения затвор-исток. Выход очевиден — шунтировать Rs развязывающим конденсатором Cs.

ШАГ 7.6: Цепь переменного тока (смешанного смещения) с конденсаторами. Можно нейтрализовать часть напряжения источника постоянным напряжением, «вырабатываемым» другим делителем напряжения. Для этого мы только подключаем затвор J2 с другим резистором R3 к Vdd. Это дает больше возможностей для установки напряжения смещения J2.

До недавнего времени излюбленным методом устранения компонентов искажения в линейных усилителях было каскадирование множества каскадов усиления для формирования схемы с огромным коэффициентом усиления, а затем использование отрицательной обратной связи для управления системой и исправления многих ошибок, вносимых этим большим количеством усилителей. компоненты.
В то время как сумма искажений этих компонентов может вызвать большие сложные нелинейности, соответственно большое количество примененной обратной связи, как правило, более чем соответствует задаче очистки производительности только с одним компромиссом — высокочастотными характеристиками системы. . Поскольку каждое усилительное устройство также вносит свой собственный спад высоких частот, а сумма многих из этих спадов создает сложную многополюсную фазовую задержку, система, использующая большое количество отрицательной обратной связи, имеет тенденцию быть нестабильной на высоких частотах. , что приводит к явлениям, обычно называемым переходными интермодуляционными искажениями (TIM). Поскольку это явление было хорошо описано в другом месте, здесь будет достаточно указать, что существуют два решения проблем ТИМ. Первое решение состоит в том, чтобы не требовать каких-либо высокочастотных характеристик схемы, то есть не подавать на нее высокочастотные сигналы, с которыми она не может справиться. Хотя это решение очень хорошо работает во многих приложениях с операционными усилителями, требующими характеристик только на низких частотах, оно считается неприемлемым в приложениях с высокой точностью воспроизведения, где требуется частотная характеристика выше 100 килогерц. Хотя человеческий слух, как правило, очень плохой на частотах выше 20 000 Гц, спад частоты ультразвука вызывает фазовые и амплитудные эффекты в слышимой области; например, однополюсный (6 дБ/октава) спад на частоте 30 кГц дает около 9отставание по фазе и потери 0,5 дБ на частоте 10 кГц. Эффекты могут быть малозаметными, но их слышимость нежелательна в оборудовании, работа которого оценивается по его нейтральности.
Из-за этого требования к полосе пропускания разработчики современных усилителей обращаются к другому решению; простые схемы с небольшим количеством усилительных устройств и относительно низким коэффициентом усиления без обратной связи. Простота и низкий коэффициент усиления позволяют схеме очень быстро реагировать на сигналы, тем самым устраняя проблемы с переходными процессами, но это происходит за счет более высоких гармонических и интермодуляционных искажений.
Поскольку эти искажения более «музыкальны» (имеют гармоники низкого порядка и интермодуляционные боковые полосы), они менее оскорбительны, чем эффекты TIM, чьи боковые полосы высокого порядка меньше похожи на естественные гармоники в музыке. Музыкальные они или нет, гармоники более низкого порядка и боковые полосы по-прежнему заслуживают того, чтобы их удаляли, и внимание лучших дизайнеров было обращено на устранение искажений в самих отдельных усилительных устройствах вместо того, чтобы применять корректирующую обратную связь к системе.
Измененный коэффициент усиления
Чтобы понять подход к этой проблеме, прежде всего необходимо отметить, что все искажения возникают при изменении коэффициента усиления усилительного устройства. Идеально линейное устройство имеет передаточную кривую, которая представляет собой идеально прямую линию. Любые отклонения (искажения) от этой прямой линии являются результатом коэффициента усиления, который меняется в зависимости от условий эксплуатации. В реальной жизни коэффициент усиления транзистора, лампы или полевого транзистора изменяется при изменении напряжения на устройстве и при изменении тока через устройство. Когда эти условия колеблются, устройство генерирует искажения, но если мы оставляем эти условия постоянными, устройство становится без искажений.
На рис. 1 представлена характеристика идеального транзистора без искажений, показывающая абсолютную линейность при любых условиях, тогда как на рис. 2 представлена характеристика реального транзистора. Обратите внимание, что расстояние между параллельными линиями неодинаково, отражая изменения усиления при различных токах, протекающих через транзистор, и что они изогнуты относительно горизонтальной оси, показывая изменения усиления в зависимости от напряжения на устройстве. Когда транзистор перемещается по этим областям при воспроизведении звукового сигнала, его коэффициент усиления изменяется, вызывая как гармонические, так и интермодуляционные эффекты искажения. Если мы сможем ограничить область работы на этой кривой, особенно областью, удаленной от границ, искажение будет значительно уменьшено.
В последнее время наиболее эффективным методом снижения искажений без обратной связи было использование режима класса А, при котором усилительные устройства останавливаются при очень высоких токах, удерживая транзистор в области на кривой, где нелинейность меньше. эффектно, как показано на рис. 3. Хотя характеристики транзистора далеки от идеальных, искажения в пределах показанных границ относительно невелики по сравнению с более резкими изменениями усиления за пределами пунктирных линий.
Каскодный режим
За счет большой потери эффективности режим класса А снижает нелинейность из-за колебаний тока через транзистор. Однако это не влияет на нелинейность транзистора из-за изменения напряжения. Существует метод устранения таких нелинейностей, называемый каскодной операцией, при котором напряжение на транзисторе, лампах или полевых транзисторах фиксируется на постоянном уровне, что полностью устраняет искажения, вызванные напряжением. В случае транзисторов усилительное устройство может работать в режимах с общим эмиттером или общим коллектором, в которых используется второй транзистор в режиме с общей базой, эмиттер которого подключен к коллектору транзистора усиления, как показано на рис. 4.9.0003
Обладая практически единичным усилением по току, чрезвычайно широкой полосой пропускания и отсутствием искажений, устройство с общей базой защищает усилительный транзистор от изменений напряжения в цепи.
На рис. 5 показаны рабочие границы такой системы, где рабочее напряжение заморожено до постоянного значения.
На рис. 6 показаны эффективные передаточные характеристики такой системы, и мы видим, что она более близко аппроксимирует кривые идеального транзистора на рис. 1. спектральный анализ эмиттерного повторителя класса А без обратной связи.
Схемы на рис. 7 a и b работали на частоте 15 кГц при +/- 5 вольт. Спектральный анализ выходных сигналов каждой схемы показан на рис. 8 a, b и c, где масштаб по вертикали составляет 10 дБ на деление (80 дБ), масштаб по горизонтали составляет 0–100 кГц при делении 10 кГц, и как легко видеть, каскодная работа одного и того же транзистора при прочих равных условиях приводит к уменьшению искажений от нескольких процентов до остаточного значения тестовой установки.
Увеличенная пропускная способность
Помимо устранения нелинейности, вызванной напряжением, каскодная работа может дать дополнительное преимущество в виде увеличения полосы пропускания. Поскольку напряжение коллектор-база поддерживается постоянным, заряд емкости перехода коллектор-база в транзисторе минимален. Устранение влияния этой внутренней запаздывающей емкости позволяет получить более высокую частотную характеристику, поэтому каскодная схема обычно используется в усилителях сверхвысокой частоты и широкополосных осциллографах, где требуется отклик выше 100 мегагерц. Схема Cascode также нашла свое применение в схемах предусилителей, производимых Dayton-Wright Paragon, DB Systems и Audio Directions, среди прочих.
Принимая во внимание все эти факторы и отмечая, что выходные транзисторы в усилителях мощности будут пользоваться преимуществами каскодной работы, мы недавно приступили к разработке каскодного аудиоусилителя мощности (подана заявка на патент), в котором каскады усиления и эмиттерный повторитель выходные каскады работают при постоянном напряжении. Концептуальную схему такого устройства можно увидеть на рис. 9, который иллюстрирует использование каскодной схемы как в каскаде усиления по напряжению с общим эмиттером, так и в выходном каскаде с общим коллектором.
В этой схеме Q1 является входным транзистором, на котором Q2 поддерживает постоянное напряжение. Q3 и Q4 образуют каскодный каскад с общим эмиттером и усилением по напряжению, который генерирует полный размах напряжения усилителя. Обе части схемы смещены с помощью источников постоянного тока I1, I2, видимых рядом с отрицательной шиной питания. Усиление выходного тока обеспечивается дополнительными дарлингтонами с общим коллектором, образованными Q5-8, а Q9 и Q10 являются транзисторами с общей базой, которые поддерживают на них постоянное напряжение. V1-5 — источники постоянного напряжения от двух до 10 вольт. Источники напряжения в цепях каскодов могут создаваться различными способами, включая стабилитроны, резисторы или даже батареи.
Поскольку нелинейность, вызванная напряжением, принимает форму «сжимающей» интермодуляции, неудивительно, что звуковые эффекты использования каскодной операции во всей системе усиления мощности соответствовали впечатлению о возможностях динамического диапазона, значительно превышающих номинальную мощность. предлагать. Этот эффект проявляется на высоких переходных уровнях и придает ощущение легкости при воспроизведении требовательного материала.

Принцип работы каскодной схемы на лампах

Основные преимущества каскодных схем

Особенности расчета и настройки каскодных усилителей

Применение каскодных схем в ламповой технике

Типовые схемы каскодных усилителей на лампах

Каскодный усилитель на двойном триоде

Каскодный усилитель на пентоде и триоде

Настройка и оптимизация каскодных усилителей

Заключение

Каскод (каскодная схема)

Каскодный анодный повторитель — Усилители, Лампы, Трансформаторы

abird

Местный

Oleg

Эксперт

Magergut

Местный

Oleg

Эксперт

Magergut

Местный

Oleg

Эксперт

abird

Местный

Magergut

Местный

Oleg

Эксперт

abird

Местный

Oleg

Эксперт

abird

Местный

Oleg

Эксперт

abird

Местный

rf — Как установить точку Q для каскодного усилителя JFET и каковы правильные требования «Idss» для каскодных JFET?

ШАГ 1: Источник тока управляет источником напряжения

ШАГ 2: Перекомпонуйте схему

ШАГ 3: Реализация резистора

ШАГ 4: Эксперимент CircuitLab

ШАГ 5: Получение выходного сигнала

ШАГ 6: Реализация BJT

ШАГ 7: Реализации JFET

Pass LabsCascode Amp Design — Pass Labs усилителей мощности звука.

Похожие записи

Микросхема 358: подробный обзор, применение и характеристики операционного усилителя

Радиозвонок схема. Радиозвонок своими руками: схемы, устройство и монтаж беспроводного дверного звонка

Электросхема ваз 2105 инжектор. Электросхема ВАЗ 2105: особенности, устройство и основные неисправности

Добавить комментарий Отменить ответ