Усилитель – каким он должен быть? 2 страница

Как вы уже заметили, при выборе элементов усилительного каскада учитывается много различных факторов, причем зачастую противоречивых. Задавшись определенными начальными условиями: коэффициентом усиления (К_у ) каскада, полосой воспроизводимых частот и допустимыми частотными искажениями, можно рассчитать все данные деталей – сопротивлений и конденсаторов, определяющих схему усилителя. Однако даже заметное отклонение какой‑либо величины от расчетной, как правило, не приводит к неприятным последствиям. Так, например, увеличивать емкость конденсаторов С_э и С_к (рис. 30, 30 ) можно во сколько угодно раз; сопротивления R_a, R_э и R_c можно менять на 10–20 %, не опасаясь значительных искажений и изменений коэффициента усиления; емкость конденсатора С _с2 также можно значительно увеличить. Одно из ограничений связано с тем, что конденсаторы большей емкости имеют меньшее сопротивление утечки; сопротивление R_кI нежелательно сильно изменять по сравнению с расчетными данными, так как оно в большой степени определяет режим лампы. Для иллюстрации влияния различных элементов схемы на работу усилительного каскада в табл. 15 приводятся данные деталей к схеме простейшего реостатного усилителя (рис. 30, 30 ).

Для расчета была выбрана полоса частот 100–6000 гц при неравномерности частотной характеристики ±6 дб. Все данные приведены для двух напряжений на аноде +180 в и +300 в.

На рис. 37, б приведена весьма упрощенная эквивалентная схема усилительного каскада с трансформаторным выходом. Здесь R_п – сопротивление проводов, L_I – индуктивность первичной обмотки трансформатора, R_a сопротивление нагрузки, пересчитанное в первичную цепь (рис. 30, 12).

рис. 30 , 12

Катушка L_pac – это условный элемент, который отображает рассеяние магнитного поля. Чем большая часть магнитного поля первичной обмотки охватывает витки вторичной обмотки, то есть чем сильнее связаны эти катушки общим магнитным полем, тем меньше L_pac .

Рис. 37. Эквивалентные схемы реостатного (а ) и трансформаторного (б) усилительных каскадов. Это сравнительно простые электрические цепи, на которых удобно анализировать поведение того или иного каскада на разных частотах.

В трансформаторном каскаде так же, как и в реостатном, к лампе подключен сложный делитель напряжения, одним из элементов которого является полезная нагрузка R_a . Во всех случаях желательно, чтобы сопротивление R_п было как можно меньше по сравнению с R_a . Чем меньше R_п , тем меньшая часть переменного напряжения U _а~ , а значит, и мощности на нем теряются.

Индуктивность первичной обмотки L_I шунтирует нагрузку. На высших частотах индуктивное сопротивление обмотки велико (рис. 30, 11 ), и оно мало влияет на общее сопротивление участка аб . С уменьшением частоты индуктивное сопротивление катушки падает, и она все сильнее шунтирует нагрузку, уменьшает общее сопротивление участка аб , заваливая частотную характеристику на низших частотах. Чтобы предотвратить этот завал, нужно, чтобы индуктивность L_I была достаточно большой, чтобы даже на самых низших частотах ее сопротивление было больше R_a . Обычно L_I составляет десятки генри. Для получения такой большой индуктивности обмотки выходного трансформатора размещают на стальном сердечнике, и первичная обмотка содержит несколько тысяч витков.

рис. 30 , 11

Индуктивность рассеяния L_pаc , наоборот, должна быть как можно меньше. С увеличением частоты на ней теряется все большая часть переменного напряжения U _а~ , и из‑за этого появляется завал частотной характеристики в области высших частот. При конструировании выходных трансформаторов принимают меры для уменьшения L_pac .

На обеих эквивалентных схемах остался неразобранным лишь один элемент – внутреннее сопротивление лампы R_i . А вместе с тем выбор многих других элементов схемы, и в первую очередь сопротивления анодной нагрузки, в большой степени определяется величиной R_i . В практике приняты следующие ориентировочные нормы: для триодов R_a должно быть в два‑три раза больше R_i , для пентодов – в три – пять раз меньше. В выходных каскадах желательно применять лампы с небольшим R_i , так как это улучшает демпфирование громкоговорителя. Именно поэтому в выходных каскадах иногда применяют мощные триоды, внутреннее сопротивление которых значительно меньше, чем у тетродов и пентодов. Правда, и у этих ламп можно заметно понизить величину R_i , применяя интересную схемную «хитрость» – отрицательную обратную связь.

Фокусы с фазами

Переменное напряжение на сетке управляет анодным током, и он создает на анодной нагрузке переменную составляющую напряжения. Это нормальная прямая связь сеточной и анодной цепи, связь через электронный поток в направлении сетка – анод. А теперь попробуем создать связь в обратном направлении. Возьмем часть мощности усиленного сигнала (мощной копии) и направим ее из анодной цепи в сеточную (рис. 38, рис. 39, 1 ). Давайте попытаемся выяснить, к чему это приведет.

Рис. 38. Возвращая некоторую часть выходной мощности усилителя во входную цепь, мы вводим обратную связь. Если сигнал обратной связи содействует входному сигналу, обратная связь положительна, а если противодействует – отрицательна.

рис. 39 , 1

На рис. 39, 1, а показан один из способов введения обратной связи. Со специальной обмотки III выходного трансформатора Тр_в напряжение обратной связи U_o.с подается в цепь управляющей сетки. Туда же, как обычно, подается напряжение U_вх – сигнал, поступающий на вход усилителя с предыдущего каскада. Теперь напряжение U_с , действующее на сетке Л₁ складывается из двух напряжений – U_вх и U_o.с . Результат этого сложения прежде всего зависит от фазовых соотношений U_вх и U_o.с .

Если оба напряжения совпадают по фазе, то они действуют согласованно и U_c больше U_o.с (рис. 39, 1, б, в ). Такую обратную связь называют положительной. Она фактически повышает усиление каскада, так как «бесплатно» увеличивает входное, а значит, и выходное напряжение.

Если напряжения U_вх и U_o.с действуют в противофазе, то результирующее U_c оказывается меньше U_вх (рис. 39, 1, г, д ), а это фактически означает, что усиление каскада уменьшается. Такая обратная связь называется отрицательной.

В обоих случаях для оценки влияния обратной связи вводят коэффициент β (рис. 40), который показывает, какая часть выходного напряжения подается обратно в цепь управляющей сетки (β = U_o.с /U_вых ). Чем больше β , тем сильнее, глубже обратная связь, тем в большей степени она повышает (положительная) или понижает (отрицательная) усиление каскада.

Часто вместо коэффициента β указывают другую величину. Она называется «глубина обратной связи» и численно равна 1 + U_o.с /U_c . Чем больше U_o.с по сравнению с U_вх , тем меньше оказывается их разность U_c (отрицательная обратная связь), тем, следовательно, глубже обратная связь. Глубину обратной связи обычно выражают в децибелах. Если сказано, что глубина обратной связи составляет 20 дб, это значит, что U_o.с в девять раз больше U_c , то есть U_вх , поступающее с предыдущего каскада, почти на 90 % скомпенсировано отрицательной обратной связью.

В нашей схеме глубина обратной связи зависит от числа витков обмотки III : чем больше витков в этой обмотке, тем сильнее обратная связь.

В схеме рис. 39, 1, а довольно просто изменить характер обратной связи – положительную превратить в отрицательную, и наоборот. Для этого достаточно поменять местами выводы А и Б обмотки III . Если при заземлении вывода А получается положительная обратная связь, то при заземлении вывода Б она будет отрицательной. Объясняется это очень просто. Напряжение на обмотке III непрерывно меняется. Во время одного полупериода на выводе А действует «плюс», а на выводе Б – «минус». Во время следующего полупериода полярность меняется: на выводе А появляется «минус», на выводе Б – «плюс». В зависимости от того, какой из выводов заземлен, мы подаем на сетку «плюс» либо во время четных полупериодов, либо во время нечетных (это, разумеется, условное разделение). Таким образом, U_o.с оказывается в фазе с напряжением U_вх либо действует против него. Иными словами, меняя местами выводы А и Б , мы сдвигаем фазу напряжения U_o.с на 180° (рис. 39, 1, б, в, г, д ).

На первый взгляд может показаться, что в усилителях имеет смысл применять только положительную обратную связь. По крайней мере она дает выигрыш в усилении, в то время как при введении отрицательной обратной связи мы только проигрываем (рис. 39, 1, в ). Однако более глубокий анализ показывает, что, проигрывая в усилении (как вы сейчас увидите, этот проигрыш легко вернуть), мы можем получить сразу несколько важных и крупных выигрышей.

Прежде всего с помощью отрицательной обратной связи можно сделать то, чего никаким иным путем добиться невозможно, – снизить нелинейные искажения, возникающие в лампе и выходном трансформаторе (рис. 40).

Рис. 40. Отрицательная обратная связь позволяет ослабить фон, уменьшить выходное сопротивление, повысить стабильность, улучшить частотную характеристику и, что особенно важно, понизить нелинейные искажения. Главные недостатки отрицательной обратной связи – пониженное усиление и необходимость большого входного сигнала – обычно отступают перед ее многочисленными достоинствами.

В результате нелинейных искажений в спектре выходного сигнала появляются составляющие, в частности гармоники, которых во входном сигнале не было. По цепи обратной связи эти посторонние составляющие попадают на сетку лампы и оттуда наравне с входным сигналом управляют анодным током. Теперь в анодном токе будет две группы посторонних вредных гармоник: первая из них возникает в самой лампе в результате нелинейных искажений, вторую мы создаем искусственно, управляя анодным током с помощью напряжения U_o.с . Из самого определения отрицательной связи следует, что обе группы составляющих противофазны, то есть посторонние гармоники анодного тока, пробравшись по цепи обратной связи на командный пункт лампы – на управляющую сетку, используют ее усилительные свойства и сами же себя ослабляют. Правда, одновременно уменьшается и напряжение основного сигнала – обратная связь не разбирает, где «свои», где «чужие», и одновременно ослабляет все составляющие выходного напряжения. Однако ослабление основного сигнала – дело поправимое: нужно просто повысить напряжение, поступающее от предыдущего каскада. Если нет необходимого запаса усиления, стоит даже добавить еще один каскад – усилитель напряжения. Выигрыш, который дает применение отрицательной обратной связи, обычно стоит такой жертвы. Она позволяет уменьшить коэффициент нелинейных искажений в несколько раз. Но не только это дает нам отрицательная обратная связь.

До сих пор мы считали, что обратная связь имеет одинаковую глубину на всех частотах. Однако совсем необязательно всегда выполнять это условие. Включив в цепь отрицательной обратной связи уже знакомые нам фильтры, можно завалить или поднять частотную характеристику на том или ином участке. Это хорошо видно на примере включения в цепь обратной связи простейших регуляторов тембра (рис. 39, 5, а ). Цепочки R_нC_н и R_вC_в – это уже знакомые нам регуляторы тембра; первый из них в большей или меньшей степени ослабляет низшие частоты, второй – высшие (рис. 35, 4 ). Точно так же действуют эти цепи и в схеме рис. 39, 5, а . Однако результат здесь получается совсем иным.

Что значит ослабить отрицательную обратную связь на той или иной частоте? Это значит ослабить на этой частоте мешающее действие напряжения U_o.с и таким образом повысить усиление. Иными словами, усиление обратной связи приводит к завалу (рис. 39, 5, б ) частотной характеристики, а ослабление – к подъему (рис. 39, 5, в ).

рис. 39 , 5

В цепь обратной связи включают не только регуляторы тембра, но и корректирующие RС‑цепочки из постоянных сопротивлений и конденсаторов. Мы начали разговор о достоинствах отрицательной обратной связи, отметив, что с ее помощью можно понизить внутреннее сопротивление лампы и тем самым улучшить демпфирование громкоговорителя. Прежде чем говорить о том, как это делается, придется отметить, что существуют две разновидности отрицательной обратной связи: связь по напряжению и связь по току, или, иначе, параллельная и последовательная обратная связь.

Рассмотрим две наиболее распространенные схемы подачи обратной связи. В первой из них (рис. 39, 2, а ) напряжение U_o.с возникает на катодном сопротивлении R_к .

рис. 39 , 2

Это обычное сопротивление автоматического смещения, не заблокированное конденсатором (рис. 30, 23 ). Проходя по R_к , анодный ток создает на нем напряжение U_к , которое действует между катодом и корпусом, а значит, между катодом и сеткой. По мере увеличения U_вх растет I_а , а вместе с ним растет и U_к . Что же касается фазы этого напряжения, то здесь все зависит от «точки зрения». Если мы измеряем напряжение U_к относительно земли (шасси), то U_вх и U_к (U_o.с ) действуют синфазно. Если же измерять U_к относительно катода, то оно противофазно U_вх . Все это настолько очевидно, что, по‑видимому, не требует объяснений. Напряжение всегда действует между двумя точками, и если в точке а мы отмечаем «плюс» относительно б , то это одновременно означает, что в точке б будет «минус» относительно а . Подобно этому, человек, живущий на первом этаже, считает, что весь дом находится над ним, а жильцу с последнего этажа кажется, что дом находится под ним.

рис. 30 , 23

Чтобы легче было уловить фазовые соотношения в сложной схеме, радиолюбители обычно рассматривают все цепи в момент положительного напряжения на сетке. Рассуждения ведутся примерно так: «Если на сетке «плюс», то анодный ток растет, на катоде растет «плюс», а на корпусе, то есть фактически на сетке – «минус»…

Рассуждая так, мы придем к выводу, что напряжение U_o.с , действующее на катодном сопротивлении R_к , создаст отрицательную обратную связь. Определяя фазу, мы обязаны смотреть на это напряжение со стороны катода. Только при этой «точке зрения» мы определим фазу напряжения на сетке, которая через R_c соединена с корпусом.

Схема рис. 39, 2, а – это одна из схем обратной связи по току – здесь напряжение U_к (U_o.с ) непосредственно зависит от переменной составляющей анодного тока I_a~ . Обратная связь по току увеличивает внутреннее сопротивление лампы (разумеется, только в данной схеме и в данном режиме), и поэтому ее стараются не применять в выходном каскаде, работающем на динамический громкоговоритель.

В схеме (рис. 39, 3, а ) на сетку в качестве U_o.с подается часть переменного анодного напряжения U_a~ . Между анодом и катодом включен делитель R_ac R_c , на части которого (R_c ) и действует напряжение U_o.с . В данном случае обратная связь получается отрицательной потому, что напряжение на сетке и на аноде сдвинуты по фазе на 180°, то есть противофазны. Это одна из многих схем обратной связи по напряжению: U_o.с непосредственно зависит от U_a~ , так как является его частью. Обратная связь по напряжению уменьшает выходное сопротивление каскада и поэтому применяется очень широко, в том числе и в выходных каскадах, работающих на динамический громкоговоритель.

рис. 39 , 3

Еще одно достоинство отрицательной обратной связи: она делает усилитель менее капризным, его режимы в меньшей степени зависят от изменения питающих напряжений, от изменения нагрузки на выходной каскад. Последнее обстоятельство особенно важно для усилителей радиоузлов, так как в процессе работы радиоузла нагрузка его оконечных каскадов может сильно изменяться. Представьте себе, что во время какой‑нибудь неинтересной передачи половина слушателей – абонентов радиоузла – выключит свои громкоговорители.

В этом случае резко изменится нагрузка, а значит, и режим работы выходного каскада. С несколько похожим явлением мы встречаемся и в усилителе, работающем на динамический громкоговоритель: сопротивление звуковой катушки громкоговорителя неодинаково на различных частотах, и поэтому режим выходного каскада также меняется с частотой.

Каким же образом отрицательная обратная связь может уменьшить эти недостатки? Обратная связь автоматически регулирует усиление каскада: если уменьшится нагрузка и возрастет выходное напряжение U_вых , то сразу же появится некоторое дополнительное напряжение обратной связи, которое будет стремиться уменьшить U_вых . Таким образом, отрицательная обратная связь стремится сохранить неизменным выходное сопротивление усилителя и режим его работы.

Некоторые распространенные цепи подачи отрицательной обратной связи упрощенно показаны на рис. 39, 6 . Цепь д нам уже знакома по рис. 39, 1, а . Разница лишь в том, что напряжение U_o.с снимается непосредственно со вторичной обмотки выходного трансформатора, к которой подключен громкоговоритель. Это оказывается возможным потому, что один из выводов звуковой катушки всегда заземляют, причем для громкоговорителя безразлично, какой из выводов обмотки II будет заземлен. Это позволяет, меняя местами выводы А и Б обмотки II , подобрать нужную фазу U_o.с . Глубину обратной связи подбирают с помощью сопротивления R_o.с : чем меньше это сопротивление, тем большая часть выходного напряжения приходится на долю U_o.с , тем глубже обратная связь.

рис. 39 , 6

Цепь г также направляет напряжение U_o.с на сетку Л₂ , но не непосредственно, а через сопротивление R_к2 . Теперь к напряжению U_к , которое возникает на этом сопротивлении за счет I_а переменной составляющей анодного тока, прибавится напряжение U_o.с , поступающее с выходного трансформатора. Цепи ей ж подводят U_o.с к усилителю напряжения Л₁ ), и, таким образом, обратная связь охватывает уже два каскада. В этом случае напряжение U_o.с действует более эффективно – оно дополнительно усиливается лампой Л₁ . Необходимая фаза напряжения U_o.с и здесь устанавливается заземлением того или другого вывода (А или Б ) обмотки II .

При этом все зависит от того, куда и по какому пути направлено напряжение U_o.с . Так, если для подачи отрицательной обратной связи по линии д нужно заземлить вывод Б , то такое же включение обмотки II сохранится и при использовании линии е . Для линии обратной связи г или ж фаза должна быть дополнительно сдвинута на 180°, то есть заземлить нужно вывод А . Аналогичные линии обратной связи вы встретите в большинстве практических схем и усилителей НЧ (рис. 44, 46, 51, 61 и др).

В некоторых схемах (например, рис. 62) вы увидите не совсем обычную цепь отрицательной обратной связи в каскаде, получившем название ультралинейного усилителя (рис. 39, 4, а ). Здесь часть напряжения U_a~ с первичной обмотки выходного трансформатора Тр_в подается на экранную сетку и отсюда управляет анодным током. Переменное напряжение U_э~ и есть напряжение обратной связи. Так же как и U_а~ напряжение U_э~ противофазно сеточному, то есть обратная связь через экранную сетку получается отрицательной. Ультралинейная схема выходного каскада отличается небольшими нелинейными искажениями и низким выходным сопротивлением. Свойства каскада в большой степени зависят от соотношения витков в обмотках Iа и Iб .

рис. 39 , 4

У многих из вас мог возникнуть вопрос: зачем на схеме (рис. 39, 6 ) нужно регулировочное сопротивление R'_o.с , для чего с его помощью мы ослабляем действие обратной связи, которая дает так много преимуществ? На этот очень простой вопрос придется дать весьма подробный ответ.

Выигрыш, который приносит нам отрицательная обратная связь, не достается даром. За него приходится платить дополнительным усилением, а это не всегда возможно и не всегда выгодно. Стоит ли, например, вводить очень глубокую обратную связь в усилитель, который по заданным условиям должен быть простым и дешевым и от которого в то же время не требуется очень высоких качественных показателей? Здесь, по‑видимому, глубину обратной связи целесообразно увеличивать до тех пор, пока это не потребует дополнительных затрат, в частности дополнительного каскада усиления.

Но даже в тех случаях, когда мы не ограничены средствами и когда главная наша задача – улучшить качественные показатели усилителя, мы не можем до бесконечности усиливать отрицательную обратную связь. Одно из главных ограничений связано с тем, что на некоторых частотах отрицательная обратная связь может превратиться в положительную, которая, как известно, все делает наоборот – не улучшает, а ухудшает качественные показатели усилителя. Более того, при определенных условиях положительная обратная связь может превратить усилитель в генератор (самовозбуждение усилителя), и он сам по себе, не получая никакого входного сигнала, будет генерировать переменное напряжение – попросту говоря, будет выть и свистеть. Превращение отрицательной обратной связи в положительную может произойти тогда, когда какие‑то элементы создадут дополнительный сдвиг фаз на 180°. Такими элементами могут оказаться RС‑цепочки, которые в усилителе встречаются буквально на каждом шагу.

Попробуем детально изучить поведение RС‑цепочки, по которой проходит переменный ток (рис. 41, рис. 42).

Рис. 41. Между напряжением и током в реактивных элементах – конденсаторах (С ) и катушках (L ) – существует сдвиг фаз, который принято отображать с помощью векторной диаграммы.

Прежде всего отметим, что в любой цепи переменное напряжение U_R на активном сопротивлении R совпадает по фазе с током I_R (рис. 42, 1, б ).

рис. 42 , 1

Это может показаться никому не нужным заявлением, чем‑нибудь вроде «Волга впадает в Каспийское море»… Действительно, для любого момента времени, для любых мгновенных значений должен выполняться закон Ома, а значит, ток I и напряжение U одновременно растут, уменьшаются, меняют направление. Но так бывает не всегда. Ток I_с в цепи конденсатора С (рис. 42, 2, а ) связан с процессом заряда и разряда, то есть связан с изменением напряжения U_c . Чем резче нарастает (рис. 42, 2, б ) или падает (рис. 42, 2, в ) напряжение, тем больше ток; а в тот момент, когда напряжение на конденсаторе не меняется (рис. 42, 2, г ), ток равен нулю. Исходя из этих соображений, можем построить график тока I _с (рис. 42, 2, д ). Он будет наибольшим в момент наиболее быстрого изменения U_c (моменты 0, 2, 4 и т. д.) и будет равен нулю в тот момент, когда U_c достигло амплитуды и на какое‑то неуловимое мгновение остается неизменным (моменты 1, 3, 5 и т. д.). Как видите, положительная амплитуда I_с (момент 0) наступает на четверть периода раньше, чем положительная амплитуда U_c (момент 1). Иными словами, ток через конденсатор опережает напряжение на конденсаторе на четверть периода, иначе – на 90°.

рис. 42 , 2

Существует очень наглядный способ изображения сдвига фаз – векторная диаграмма (рис. 41). Вспомним, что мы договорились весь период делить на 360 условных единиц времени и именно такую единицу назвали градусом. Векторная диаграмма – это рисунок, где ток и напряжение показаны в виде определенным образом расположенных линий – векторов. Линии образуют угол, который соответствует сдвигу фаз между током и напряжением. Это очень удобно, так как каждому градусу сдвига фаз (единица измерения времени) соответствует градус (угловая единица) угла между векторами.

При сдвиге фаз на четверть периода векторы I и U располагают под углом 90°. Принято считать, что векторы вращаются вокруг точки 0 против часовой стрелки. В нашем примере (рис. 42, 2, г ) мы сначала увидим вектор I_с , а затем через 90° вектор U_c . Это как раз и соответствует случаю, когда I_с опережает U_c (или, иначе, U_c отстает от I_с ) на четверть периода. Длину векторов откладывают в определенном масштабе: например, в масштабе 1 мм = 10 в или 1 мм = 2 а. Строгое соблюдение масштабов необходимо в тех случаях, когда на векторной диаграмме отображено несколько различных напряжений или токов (рис. 42, 3, 4 ). Один из таких случаев – последовательное включение R и С .

Если к цепочке, составленной из конденсатора и сопротивления (рис. 42, 3, а ), подвести переменное напряжение U_RC,то оно распределится между участками – между R и С – пропорционально их сопротивлению для данной частоты: R и х_с . В цепи пойдет ток, величина которого по закону Ома определится напряжением U_RC и общим сопротивлением z всей цепи. При этом напряжение U_R будет совпадать по фазе с током (рис. 42, 1, а, б, в ), а напряжение U_с будет отставать от тока на 90° (рис. 42, 2, а, д, е ). Что же касается общего напряжения U_RC на всей цепочке, то оно будет представлять собой сумму U_R и U_c . Но не алгебраическую сумму U_RC = U_R + U_c, а геометрическую U_RC = √(U²_R + U²_c ). Если сложить эти напряжения, то окажется, что U_RC и а значит, U_RC и U_R ) сдвинуты по фазе на некоторый угол, обычно обозначаемый буквой φ . Сдвиг фаз определяется соотношением х_с и R : чем больше х _с по сравнению с R , тем больше угол φ , тем ближе он к 90°.