Ламповый катодный повторитель ам модулятора схемы: Схема передатчика АМ — 1 Января 2015 — Блог

Катодный повторитель

Схемы, которые мы рассматривали до сих пор, касались исключительно усиления по напряжению. Иногда необходим буферный каскад, который обеспечивает высокое входное и низкое выходное сопротивление. Катодный повторитель имеет коэффициент усиления по напряжению немного меньше единицы (1) и значительный коэффициент усиления по току. У него низкое выходное сопротивление, обычно < 1 кОм, высокое входное сопротивление (например, ≈ 500 МОм в ламповых микрофонных усилителях). Кроме того, в отличие от усилительного каскада по схеме с общим катодом (рассмотренный ранее резисторный усилитель), где выходное напряжение противофазно входному, катодный повторитель не инвертирует, то есть закон изменения выходного напряжения повторяет закон изменения входного с точностью до фазы. Отсюда и название «повторитель», тогда как, усилительный каскад по схеме с общим катодом довольно часто называют «инвертором».

Начнем рассмотрение катодных повторителей с простейшей схемы с фиксированным смещением, приведенной на рис. 3.21. Глядя на эту схему, нетрудно заметить, что здесь изменилось положение нагрузочного резистора (он теперь установлен не в анодную цепь, а в катодную), таким образом, чтобы выходной сигнал снимался между катодом и общим проводом. Однако, работа такого каскада может быть рассмотрена таким же образом как и ранее, используя нагрузочные линии (рис. 3.22).

Итак, пусть нагрузочное сопротивление выбрано равным R_H = 100 кОм. На рис. 3.22 вычерчена соответствующую этому сопротивлению нагрузочная линия. Выберем величину сеточного напряжения смещения V_c = —2,5 В, а также величину постоянного напряжения между катодом и анодом лампы V_a = — 81 В, получая максимальную линейность в области рабочей точки. В этом случае катод относительно общего провода находится под напряжением V

Рис. 3.21 Катодный повторитель с фиксированным напряжением смещения

Рис. 3.22 Рабочая точка катодного повторителя с фиксированным напряжением смещения

Обратим внимание, что катодная цепь, включая нагрузочный резистор, является общей как для пути протекания входного (сеточного) тока, так и выходного (анодного). Более того, от величины выходного (анодного) тока зависит напряжение, падающее на катодном резисторе, а значит и напряжение

Для того, чтобы найти коэффициент усиления каскада с обратной связью, каковым и является катодный повторитель, воспользуемся (как и в предыдущих примерах) обычной методикой оценки коэффициента усиления из нагрузочной линии (без учета обратной связи он получается равным A_v= 28,5), и применим уравнение обратной связи:

Поскольку имеется 100% обратная связь, β = 1 и результирующий коэффициент усиления по напряжению в нашем примере становится равным 28,5/29,5 = 0,97.

Мы рассматривали ранее (применительно к резисторному каскаду с общим катодом), что эквивалентное сопротивление катодной цепи по переменному току определялось следующим соотношением:

Здесь под R_н понимается резистор, включаемый между анодом лампы и источником питания ВН. Но для катодного повторителя, R_нмежду анодом и ВН = 0, таким образом, это уравнение сводится к более простому: r_к = 1/gm. Из анодных характеристик лампы можно графически определить, что крутизна gm ~ 5 мА/В — это дает выходное сопротивление равное ≈ 200 Ом. Это не особо точное вычисление, поскольку графический метод определения крутизны gm обладает значительной погрешностью, но это не имеет существенного значения, поскольку обычно в аудио

катодном повторителе, последовательно с его выходом, включают резистор величиной = 1 кОм, чтобы гарантировать устойчивую работу усилителя. Тем не менее, даже результирующее выходное сопротивление (с учетом этого добавочного резистора) равное 1,2 кОм является достаточно низким выходным сопротивлением каскада на электронной лампе.

Рассмотренный каскад, однако, не обладает большим входным сопротивлением, что не очень желательно для усилителей (поскольку затрудняет согласование с большим выходным сопротивлением предыдущего каскада), хотя каскады с низким входным сопротивлением удобны для создания активных фильтров (например, разработанных кампанией Sallen & Key). Для получения в катодном повторителе высокое входное сопротивление, часто применяют схему с автоматическим катодным смещением (рис. 3.23).

Рис. 3.23 Напряжение смещения в цепи катода в катодном повторителе

Теперь имеется катодное или автоматическое смещение, обеспеченное резистором 1,3 кОм, величина которого вычисляется обычным способом (см. выше). Заметим, что, добавив этот резистор, мы слегка увеличили величину R_H, что должно сказаться на работу усилителя, но на практике это увеличение на ≈ 1 % имеет незначительное влияние на режим каскада.

Эта схема несколько проще предыдущей, поскольку делитель напряжения теперь стоит в менее высоковольтной — катодной цепи, а не в цепи источника питания ВН. Также следует отметить, что в этой схеме несколько больше глубина отрицательной обратной связи по току, вызываемой резисторами, установленными в цепи катода.

Рассмотрим режим работы этой схемы. Для предыдущего примера нами уже был вычислен коэффициент усиления по напряжению A_v, равный 0,97. Можно подсчитать коэффициент ослабления делителя напряжения, образованного катодным резистором автосмещения и катодным нагрузочным резистором R_H. Он составляет —0,987, следовательно, напряжение сигнала обратной связи на нижнем выводе резистора смещения сетки равно 0,96

Заметим, что А — это коэффициент усиления катодного повторителя, а не первоначальный коэффициент усиления по нагрузочной линии.

Заметим, что это приблизительная величина, потому что не учитывает существенные паразитные емкости монтажа. Используя пример с лампой Е88СС:

Рассуждения, подобные приведенным выше, можно использовать, чтобы определить эквивалентную входную емкость катодного повторителя:

Нужно добавить несколько пФ на паразитные емкости монтажа, как мы делали прежде, что дает возможное значение входной емкости катодного повторителя примерно равное 4,5 пФ, что намного меньше половины значения емкости каскодной схемы или усилителя на пентоде.

Предположим, что линейности спроектированного катодного повторителя оказалось недостаточно. Вообще говоря, линейность катодный повторитель всегда оказывается выше линейности усилительного каскада по схеме с общим катодом. Связано это с тем, что катодный повторитель охвачен 100%-ой отрицательной обратной связью. Это означает, что любая нелинейность будет уменьшена пропорционально коэффициенту обратной связи (1 + βA₀), который в нашем примере дает уменьшение 30:1. Если рабочая точка каскада выбрана правильно, линейность обычно оказывается вполне приемлемой.

Тем не менее, возможно сделать линейность катодного повторителя еще лучше. Ранее мы упоминали, что из всех эквивалентных параметров лампы, внутренний статический коэффициент усиления μ был одним из наиболее устойчивых, тогда как внутреннее статическое сопротивление r_а значительно зависит от изменений тока анода. Это является существенным, потому что обычно изменения r_а вызывают искажение, связанные с нестабильностью коэффициента усиления в схеме усилительного каскада с общим катодом:

Если сделать сопротивление нагрузки /?_н очень большим, в идеале — бесконечным, r_{абудет по сравнению с ним незначительно и больше не сможет вызывать зависимость коэффициента усиления от величины анодного тока, и. следовательно, — искажения сигнала. При условии, что мы выбрали подходящую рабочую точку, где μ изменяется незначительно, то получим каскад — буфер с очень низкими искажениями. К сожалению, если просто сделать}

Рис. 3.24 Влияние увеличения R_H на катодный повторитель

Для решения этого противоречия между линейностью и величиной питающего напряжения ВН, применяют катодные повторители с активной нагрузкой и ряд других схем, которые будут рассмотрены ниже.

Параллельно управляемый двухламповый усилитель (SRPP)

Каскад типа SRPP был разработан в начале 1950-х годов для использования в качестве усилителя мощности или модулятора в телевизионных передатчиках, где требовалось развивать на выходе с малыми искажениями около 1100 В переменного напряжения на нагрузке 400 Ом параллельно с емкостью 500 пФ. В телевидении допустимы намного большие искажения, нежели чем в звукозаписывающей и звуковоспроизводящей аппаратуре, и стандарты видеосигнала в то время были сравнительно нежесткими, так что «мало искажений» означало ~ 2%, и «незначительные искажения» означали < 1 %.

Хотя маловероятно, что мы будем использовать параллельно управляемый двухтактный (SRPP) усилитель по его основному назначению, полезно понять проблемы с которыми сталкивались его разработчики, и как они были решены. Получение 1100 В амплитудного значения на нагрузке 400 Ом в действительности не проблема — просто требуется мощная электронная лампа, но была проблема поддержания этого напряжения во всем диапазоне модулирующих частот с учетом шунтирования нагрузки параллельной емкостью 500 пФ. Самая высокая частота, спектра видеосигнала тогдашней системой «высокой четкости» серии 405, была 3 МГц, и на этой частоте в емкостное сопротивление Х_с ≈ 100 Ом ответвлялся значительно больший ток, чем в сопротивление полезной нагрузки 400 Ом. Очевидным решением было увеличить ток покоя в каскаде, но это будет расточительным использованием электричества — потому что в реальных изображениях максимальная амплитуда высокочастотного сигнала появляется очень редко (в отличие от испытательных сигналов).

Двухламповый усилительный каскад SRPP как раз и решает проблему вредного шунтирующего действия емкостной составляющей нагрузки (включая выходную емкость самой лампы, емкость монтажа и т. п.) без необходимости увеличения тока покоя, либо выходной мощности. Упрощенная схема такого каскада показана на рис. 3.35. Нижняя лампа является основным усилителем, а верхняя лампа регулятором. Выше было показано, что из-за вредного влияния емкостной составляющей нагрузки, на высоких частотах требуется больший выходной ток, нежели на низких. Эти процессом как раз и управляет верхняя лампа, режим которой зависит в том числе и от величины переменного тока, отдаваемого каскадом в нагрузку. Последовательно включенный резистор в анодной цепи нижней лампы пропускает в том числе и ток нагрузки. Напряжение, падающее на нем, как раз и используется, чтобы управлять регулятором — верхней лампой. Так как регуляторная лампа обычно может учетверить общую мощность каскада, не требуя дополнительного тока покоя, это уловка позволила разработчикам телевизионного модулятора значительно увеличить коэффициент полезного действия — очень важное соображение для усилителей, рассеивающих киловатты тепла.

Рис. 3.35 Параллельно управляемый двухтактный (SRPP) усилитель

При построении SRPP каскадов зачастую и верхняя и нижняя лампы выбираются одинакового типа.

Рассмотрим режим работы SRPP каскада. Поскольку, постоянный ток, протекающий через обе электронные лампы каскада одинаков и сами лампы одинаковы, их резисторы катодного смещения R_kтакже равны. Для постоянного тока, верхняя и нижняя части схемы являются идентичными, поэтому на каждой из них падает половина напряжения питания. Если начертить вертикальные линии на анодных характеристиках — 285 В/2 = 142,5 В, и выбрать ток анода, легко определить требуемое напряжение смещения. Характеристика, снятая при сеточном напряжении —4 В пересекает 142,5 В при токе 4,5 мА, таким образом 4 В/4,5 мА = 889 Ом. Стандартный резистор 910 Ом прекрасно подойдет в качестве катодного автосмещения (рис. 3.36).

Рис. 3.36 Выбор рабочей точки SRPP

Выходное сопротивление каскада можно найти из следующего соотношения:

Также в таких каскадах возможно использовать различные электронные лампы и различные режимы постоянного тока для верхней (V₂) и нижней (V₁) ламп. В этом случае, полное уравнение, полученное A_МОСОМ(A_MOS) и Биркиншау (Birkinshaw) дает возможность вычислить коэффициент усиления каскада:

Каскад SRPP занимает промежуточное положение между резисторным усилителем с общим катодом, и μ-повторителем с активной нагрузкой. В то же время низкое значение сопротивления верхнего катодного резистора R_Kозначает, что величина R_H относительно нижней лампы неминуемо будет довольно низкой, означая, что каскад

SRPP будет иметь коэффициент усиления AV < μ, и существенно большие искажения по сравнению с μ-повторителем.

Рассмотрим пример построения каскада SRPP на двух триодах типа 6J5GT. Их эквивалентные динамические параметры были заранее определены: gm = 2,95 мА/М, r_a = 7,11 кОм, μ = 70.

Расчетные уравнения прогнозируют для этого SRPP каскада коэффициент усиления A_v= 14,3 и выходное сопротивление r_вых = 2,3 кОм. Сравним такой каскад SRPP с μ-повторителем, построенном на двух таких же электронных лампах с идентичным режимом по постоянному току для обеих ламп (рис. 3.37). Неудивительно, что каскад SRPP имеет значительно более высокий перепад выходного напряжения, чем μ-повторитель. μ-повторителю также требуется более высокое напряжение питания, потому что его часть тратится впустую, вызывая падение напряжения на дополнительном сопротивлении R_K10 кОм.

Рис. 3.37 Схемы сравниваемых каскадов SRPP и μ-повторителя

При выходном сигнале +28 дБ (действующее значение напряжения 19,5 В), μ-повторитель создает примерно 0,24% суммарного значения коэффициента нелинейных искажений, а каскад SRPP дает 1,32% при 15 дБ. Как и прогнозировалось, каскад SRPP дает существенные искажения, и хотя они падают с понижением уровня сигнала, они все же довольно большие для использования его в качестве каскада предусилителя. Также было исследовано влияние напряжения питания на коэффициент нелинейных искажений при уровне выходного сигнала +28дБ. Результаты приведены на рис. 3.38.

Хотя каскад SRPP обеспечивает худшие показатели качества по сравнению с μ-повторителем, но он имеет преимущество в том, что он не требует гальванической развязки по постоянному току (в μ—повторителе необходим разделительный конденсатор к верхней лампе), и он, следовательно, невосприимчив к блокировке. Разумеется, малая чувствительность к шунтирующему влиянию емкостной составляющей нагрузки, также является преимуществом SRPP каскада.

Рис. 3.38 Суммарное значение коэффициента нелинейных искажений в зависимости от напряжения питания для 6J5/6J5 SRPP при +28 дБ