ЧАСТЬ 5
9.1. Проблема N 1: регулирующий элемент
Без цепей автоматической регулировки усиления (АРУ) трудно себе представить радиоприемник. Но каскад с изменяющимся коэффициентом передачи
- это не так просто, как может показаться: серьезные ограничения накладываются возможностью появления искажений при сильном сигнале. Здесь мы впервые
сталкиваемся с проблемой передачи сигналов большого уровня, чем будем заниматься теперь уж до конца.
В подавляющем большинстве случаев в ламповых приемниках используется АРУ, действующая по принципу выпрямления колебаний с выхода радиотракта и подачи
полученного регулирующего напряжения на запирание ламп усилительных каскадов, как это видно, например, по фрагменту схемы приемника "Рекорд-53".
Следует хорошо осознать, что подобные системы АРУ обладают принципиальным недостатком: при максимальном сигнале на входе - ток ламп
наименьший! Это ограничивает диапазон регулирования. Попробуем разобраться на примере, в чем тут дело.
Пусть выходной лампой усилителя промежуточной частоты является обычный пентод 6Ж3П. При напряжении на управляющей сетке минус 4 В он
практически заперт, эту величину и можно считать максимальным уровнем регулирующего напряжения.
Для простоты пренебрегая потерей напряжения на диоде - выпрямителе АРУ, считаем, что и максимальная амплитуда сигнала на выходе УПЧ примерно 4
В.
Допустим, что сопротивление нагрузки каскада (резонансное сопротивление контура) - 20 кОм. При идеальной работе АРУ амплитуда
тока сигнала должна быть постоянной и равной 4/20 = 0,2 мА.
Общий принцип для каскадов, работающих с большими сигналами, состоит в том, что постоянная составляющая анодного тока должна быть всегда больше, чем
амплитуда переменной составляющей.
Итак, во избежание искажений, постоянная составляющая анодного тока регулируемой 6Ж3П должна непременно оставаться больше 0,2 мА; ограничим
ее величиной, к примеру, 0,26 мА.
Ток 6Ж3П в рабочей точке (максимальное усиление) равен 7 мА, диапазон изменения токов при регулировании: 7/0,26 = 27.
Тогда диапазон изменения крутизны лампы: . Он же будет и диапазоном
регулировки усиления. Как, всего-навсего?
Выходит, что наш регулятор способен скомпенсировать лишь трехкратное изменение уровня сигнала, а иначе - неизбежны искажения.
9.2. Так для чего нужны пентоды "К"?
В книге, не так давно вышедшей, можно прочесть довольно странные разъяснения по вопросу, приведенному в заголовке. Допускаю, кто-то все же понял,
что хотел донести известный автор... Но если кто остался в недоумении - теперь, после разобранного примера, уже догадывается, в чем дело.
А дело в том (и наш простенький расчет ясно показал), что пределы регулирования зависят от формы характеристики регулирующего активного элемента!
Потому в лампах типа "варимю" (которые называют также лампами с удлиненной характеристикой), предназначенных для
регулирования, характеристику деформируют, делая ее близкой к экспоненциальной.
Действительно, для экспоненты крутизна (производная) пропорциональна току, а значит, диапазон регулирования будет в точности равен допустимому
диапазону изменения тока. В рассмотренном выше примере - он был бы равен 27 вместо 3. Разница убедительная!
Тем не менее, и такой диапазон регулирования кажется недостаточным.
9.3. Многокаскадное регулирование
Очевидна идея: регулировать несколько последовательных каскадов, если диапазон неискаженного регулирования для одного недостаточен: общий коэффициент
регулирования, как ожидается, получится перемножением частных. Собственно, для трактов радиоприемников это - традиционное решение: вместо одного управляемого
каскада использовать несколько (быть может, с меньшим усилением в каждом).
Секрет выигрыша в том, что для первого каскада мы теперь не требуем неизменности сигнального тока (на помощь придут последующие каскады), а значит,
его постоянный ток при максимальном входном сигнале больше, чем был бы в однокаскадном регуляторе, налицо запас. Динамический диапазон тракта
действительно может быть этим решением расширен.
9.4. Критика "гениальных" идей
Нельзя мимоходом не остановиться на бредовых идеях, которые мелькали в литературе, и теперь, попавшись кому-то на глаза, вполне могут дезориентировать.
Речь идет об использовании в регулируемых каскадах обычных пентодов с "короткой" характеристикой, которые путем особого включения превращаются почти
что в "варимю".
Рассмотрим пентодный каскад, где заданное напряжение на второй сетке обеспечивается последовательным гасящим
резистором. При запирании лампы напряжением АРУ - снижается общий ток катода, а значит, и второй сетки. Напряжение на ней растет, анодно-сеточная
характеристика смещается влево, тормозя падение тока. Чем не "удлинение" характеристики без использования ламп типа "К"?
На самом деле никакой деформации характеристики для усиливаемого сигнала (а именно это и требуется) здесь нет. А описываемый эффект отражает лишь
снижение коэффициента передачи петли регулирования. Что является недостатком, а не достоинством.
Аналогичное влияние приписывают резистору автосмещения в катоде: запирание лампы напряжением АРУ сопровождается уменьшением автосмещения, что
эквивалентно "удлинению" характеристики...
В действительности, если этот резистор заблокирован конденсатором, то он не оказывает влияния на характеристику для сигнала. А если нет, то он просто
препятствует регулированию, стабилизируя усиление. Впрочем, когда лампа почти заперта (самый опасный случай), этот резистор вообще ни на что не влияет.
9.5. Управление токораспределением
Возможен и альтернативный способ регулирования усиления: подачей управляющего напряжения на третью сетку. Из-за того, что управление здесь
осуществляется токораспределением, предельный уровень сигнала связан с током лампы в номинальном режиме, из
которого она, по сути, и не выходит. Диапазон регулирования получается значительно больше (максимальный входной сигнал определяется попросту раствором характеристики
лампы).
Однако тут приходится иметь в виду, что в предельном случае весь ток лампы будет восприниматься экранной сеткой. Значит, надо заботиться, чтобы не
был превышен допустимый ток этой сетки и допустимая рассеиваемая мощность на ней. Желательно, разумеется, питать сетки от отдельного источника с низким
внутренним сопротивлением.
Регулирование токораспределения встречается чаще, чем думают: именно оно реализуется в частотопреобразовательных гептодах, таких как 6А7, где
напряжение АРУ подается как раз на третью сетку. И, к примеру, в приемнике "Звезда-54" никакой другой цепи регулирования вообще не предусмотрено. В
подобном режиме применимы и пентоды с двойным управлением.
9.6. Проблема N 2: петля регулирования
До сих пор мы рассматривали проблемы регулирующих элементов, с которыми связаны пределы неискаженного регулирования сильных сигналов. Но не
менее важны вопросы реализации петли регулирования, определяющие стабильность выходного напряжения при изменении входного.
В этом отношении недостаток простейшей АРУ тот, что в ней регулирующее напряжение и амплитуда выходного сигнала - это, в сущности, одно и то же.
Для эффективного управления лампой 6К4П, например, отрицательное напряжение смещения должно изменяться от
UC = 0,7 В до UCmax = 25-30 В, значит, в этих же пределах (до 32 дБ) будет изменяться
полезный сигнал на выходе детектора... Для высококлассных радиоприемников это недопустимо много.
Повышение эффективности АРУ требует "отвязки" диапазона напряжений АРУ от диапазона выходных уровней. Это достигается применением "задержки": особый
выпрямитель АРУ заперт напряжением UЗ, открываясь только при его превышении.
Теперь минимальный уровень выходного сигнала, соответствующий началу действия АРУ, будет равен
UЗ, а максимальный - UЗ + UCmax.
Допустим, напряжение задержки установлено равным 10 В. Диапазон уровней сигналов на выходе УПЧ будет при этом изменяться от 10 до 35-40
В (изменение 12 дБ вместо 32, эффект налицо). Увеличим напряжение задержки - диапазон изменения выходных уровней станет еще меньше, хотя сами
выходные напряжения - еще выше... И здесь встает новая проблема.
9.7. Зачем столько ламп?
Многие, вероятно, с недоумением замечали, что в приемниках высоких классов число каскадов усиления намного превышает необходимое с точки зрения
требований к чувствительности. Почему бы это?
Мы убедились, что попытки уменьшить диапазон изменения уровней выходных сигналов неизбежно
приводят к необходимости иметь на выходе усилителя радиотракта сигнал очень высокого уровня - десятки вольт. Ничего хорошего здесь нет.
Во-первых, работа со столь сильными сигналами снова вернет нас к проблеме регулирующего элемента: вероятно, придется снизить диапазон
регулирования для последней лампы, увеличивая число регулируемых каскадов (вот откуда лишние лампы!).
Во-вторых, для таких приемников и те же 12 дБ - все равно слишком много.
В современной технике подобные затруднения легко снял бы усилитель постоянного тока; но разработчики ламповых схем искали другие пути. Приемлемым
способом решить проблему было применение дополнительного каскада усиления - специально для тракта АРУ.
Идея состоит в том, что для каскада усиления АРУ не важны искажения огибающей, потому уже не надо беспокоиться о его линейности.
10.1. Режим класса А
В последующих главах мы будем рассматривать особенности каскадов усиления больших сигналов. Это означает, что амплитуды переменных напряжений и
токов анода соизмеримы с постоянными составляющими этих напряжений (токов), причем требуется обеспечить относительную линейность усиления.
Для этих случаев выбор режима ламп по постоянному току приобретает особое значение. Следует повторить простое, но
важное правило: в линейном каскаде амплитуда полезного тока анода меньше постоянной составляющей (тока покоя).
Если это условие соблюдено, говорят о "режиме класса А" - это наиболее распространенный режим усиления.
Темой данной главы будут усилители напряжения больших уровней, или "драйверы", то есть каскады, служащие для раскачки усилителей мощности.
10.2. Резистивный драйвер
На этот раз нас будет интересовать, каким образом можно обеспечить максимально возможный диапазон выходных напряжений. Это важно, когда каскад
используется как предоконечный, и надо обеспечить раскачку выходной лампы. Даже если амплитуды вроде бы хватает, запас по диапазону амплитуд uA
иметь всегда полезно, так как он означает снижение искажений.
Вообще-то, чем выше сопротивление анодной нагрузки, тем большую амплитуду полезного сигнала можно в принципе снять с анода. Разумеется, этому
увеличению есть разумные пределы.
1) В резистивном каскаде удвоенная амплитуда колебаний на анодной нагрузке, как ни крути, всегда будет меньше напряжения питания.
2) При возрастании RA все больше будет сказываться влияние внешней нагрузки,
подключенной через емкость (к примеру, сопротивления утечки сетки следующего каскада), которая и начнет лимитировать амплитуду.
3) Возможно, что рост постоянной времени негативно повлияет на воспроизведение высших частот спектра.
10.3. Нагрузочная прямая
Для каскада на триоде 6Н3П выберем напряжение анодного питания ЕА = 160 В. На семействе анодных характеристик триода
проведем из точки ЕА прямую с наклоном, соответствующим сопротивлению анодной нагрузки (на рисунке -
20 кОм). Ее называют нагрузочной прямой, по ней будет перемещаться рабочая точка лампы.
Рабочий диапазон на нагрузочной прямой ограничен: снизу - точкой IA
= 0, сверху - пересечением с характеристикой для UC = 0. Его можно считать теоретически предельным, но реальный рабочий диапазон, конечно,
меньше: не стоит захватывать область малых анодных токов, это вызовет рост искажений. Значит, нижней границей рабочего диапазона будет пересечение с
характеристикой для UC = UCmin, на рисунке выбрано UCmin = -4 В.
Середина между UC = 0 и UCmin = -4 В определит
режим покоя лампы, а именно: смещение -2 В и ток покоя 2,5 мА. По нагрузочной прямой находим максимальные значения: удвоенной амплитуды
анодного напряжения (85 В) и анодного тока (4,3 мА). Амплитуда напряжения на сетке до 2 В.
10.4. "Клирфактор"
Почему мы упомянули "удвоенную" амплитуду напряжения и тока, а не попросту - амплитуду? Дело в том, что колебания тока и напряжения в анодной
цепи лампы будут искажены. По предыдущему рисунку хорошо видно, что, например, величина "верхней" полуволны анодного тока
составляет 2,6 мА, а "нижней" - 1,7 мА: правильные колебания, поданные на сетку, на аноде сделаются несимметричными.
Если анодные характеристики достаточно точны, можно попытаться оценить величину искажений (по терминологии, пришедшей из зарубежной литературы -
"клирфактор"). Возьмем отрезки (расстояния между смежными характеристиками) на двух концах рабочего диапазона:
и .
Коэффициент второй (наибольшей) гармоники:
.
Один из путей уменьшения искажений - использовать не полный рабочий диапазон, а лишь его часть (исключить заход в область малых токов). Для чего,
как мы уже упоминали, всегда полезно иметь запас по диапазону напряжений.
10.5. Динамическая характеристика
Особенность триодных каскадов - в том, что уровень нелинейных искажений зависит от анодной нагрузки. Для триодов вводят поэтому понятие
динамической анодно-сеточной характеристики (то есть с учетом нагрузки). Из рисунка видно: динамическая характеристика явно более линейна, чем статическая.
В этом проявляется действие присущей триоду внутренней отрицательной обратной связи (которая тем больше, чем меньше µ).
Ранее мы уже отмечали, что чем больше величина нагрузки (по сравнению с Ri триода), тем
ближе усиление каскада к постоянному параметру µ, а значит - тем линейнее характеристика. Разумеется, важно именно
динамическое сопротивление нагрузки. Продвинутые конструкторы аудиоаппаратуры нагружают триод драйвера даже на полупроводниковый генератор постоянного тока
либо на его ламповый эквивалент; для такого случая нагрузочная прямая на семействе анодных характеристик пойдет горизонтально.
Для тетрода, пентода - по понятным причинам динамическую характеристику не вводят. Впрочем, для мощных ламп с невысоким значением Ri
также можно попытаться оптимизировать нагрузку, добиваясь снижения искажений...
Тем не менее, примененный в драйвере пентод, как правило, покажет больший уровень искажений. Впрочем, в пентодном каскаде можно обеспечить
эффективную линеаризацию применением отрицательной обратной связи.
10.6. Внешняя нагрузка
Имея дело со схемами драйверов, никогда нельзя забывать, что нагрузка - не только та, что в аноде. Параллельно ей практически всегда
действует вход следующего каскада, хотя бы в виде сопротивления утечки сетки, подключенного через емкость. Впрочем, сопротивление нагрузки может оказаться и
весьма небольшим - например, если оконечный каскад работает с сеточными токами.
Наличие внешней нагрузки уменьшит, естественно, выходное напряжение, а вместе с тем - и рабочий диапазон выходных напряжений.
Предположим, сперва проведен расчет на "холостом ходу", в результате которого получено максимальное значение амплитуды на аноде uAmax.
При учете внешней нагрузки RH - и коэффициент усиления, и предельная амплитуда снизятся
пропорционально соотношению между RA и RARH/(RA +
RH). Никаким увеличением входного сигнала - выходной повысить не удастся: он начнет ограничиваться. Однако само по себе присоединение
внешней нагрузки - на искажения сигнала в пентоде не повлияет, так как не изменит анодно-сеточной характеристики.
Однако для триода дело обстоит совсем иначе.
10.7. ... и перегрузка!
Нельзя забывать, что триод чувствителен к нагрузке. При уменьшении результирующего сопротивления нагрузки мы переходим к новой динамической
анодно-сеточной характеристике, амплитуда тока анода (при прежнем значении uC) возрастает, а ток покоя остается прежним - вот где
источник искажений из-за перегрузки триодного драйвера.
Пусть в усилительном каскаде на триоде 6Н3П с напряжением питания 200 В и анодным резистором
RA = 68 кОм установлен режим с током покоя анода 1,3 мА. При uC = 3 В амплитуда переменной
составляющей тока около 1,1 мА, и с анодной нагрузки на холостом ходу удается снять uА = 60-80 В. Все это хорошо видно из
рисунка, где на семействе анодных характеристик проведена нагрузочная прямая.
Подключим внешнюю нагрузку RН = 27 кОм через разделительную емкость. Теперь
нагрузочная прямая пошла круче: она проходит через ту же самую рабочую точку (ведь RН не влияет на режим по постоянному току), но наклон
ее соответствует 19 кОм (результат параллельного соединения 68 и 27 кОм). Хорошо видно, что уже при амплитуде входного напряжения свыше
двух вольт неизбежно ограничение передаваемого сигнала, а с нагрузки удастся снять не более 20 В.
В свежих книгах можно встретить рекомендации не использовать завышенные сопротивления анодной нагрузки для триодных драйверов. Это правильно.
Но не потому, что "лампа работает на криволинейном участке характеристики" (у нее других и нет). А потому, что не хватает тока покоя для обеспечения режима А.
Вернитесь теперь к схеме предвыходного каскада приемника "Родина". Понятно, разработчики хотели исключить подмагничивание
трансформатора с большим числом витков... Но в свете того, о чем здесь говорилось, схема просто чудовищна.
10.8. Трансформаторы и дроссели
Помимо резистивных каскадов, находят некоторое применение и драйверы с трансформаторной нагрузкой, реже - с
дроссельной. Основной смысл их применения очевиден: можно добиться по меньшей мере вдвое большей амплитуды выходного сигнала.
Что касается недостатков (или, деликатнее, "проблем"), то об этом отчасти было, отчасти будет сказано.
Главное здесь - не ошибиться с выбором тока покоя каскада: должно быть обеспечено условие режима А.
Занижение тока ведет к неизбежным искажениям. Рассмотрим конкретный пример.
На представленной схеме драйверный триод должен раскачать лампу 6С33С. При расчетном напряжении на ее аноде uA = 200
В и µ = 3 - амплитуда напряжения на сетке должна достигать uC = 70 В, диапазон частот 40 Гц - 15 кГц.
Ток внешней нагрузки драйвера будет ответвляться, во-первых, в резистор утечки сетки. Эту составляющую подсчитать легко: iR
= 70/220 = 0,32 мА.
Во-вторых, определенный ток будет уходить во входную емкость оконечной лампы. Тот, кто поспешит заключить, что эта емкость просто берется из паспорта
6С33С (СВХ = 33 пФ) - ошибется: зря, что ли, мы рассматривали ранее этот вопрос?
Принимая, что коэффициент усиления с сетки на анод равен 3 и считая его чисто действительным (нет поворота фазы), получаем правильное значение:
СВХЭКВ = СВХ + СПР(1 + 3), что дает 160
пФ! На частоте 15 кГц емкостное сопротивление будет 66 кОм.
Входной емкостный ток составит 70/66 = 1,06 мА.
Что делать с этими двумя составляющими, сложить? Теоретически, они суммируются квадратурно, поскольку имеют фазовый сдвиг 90 градусов. Но ради
запаса - не возбраняется просто просуммировать. То есть результирующий ток внешней (для драйвера) нагрузки достигает 1,3 мА на верхней частоте
диапазона. Не так-то уж и много...
Но есть еще и нижняя частота, на которой потребуется учесть ток дросселя. На частоте 40 Гц реактивное сопротивление обмотки дросселя с
индуктивностью 40 Гн составит 10 кОм. Индуктивный ток с частотой сигнала оказывается весьма велик - 7 мА.
Значит, ток покоя драйверной лампы должен быть заведомо больше этой величины, например, 10 мА. Применить здесь менее мощную лампу 6Н9С явно
не удалось бы.
10.9. Ошибка с динамической нагрузкой
Представленная схема взята из популярной книжки. Главная идея, в ней декларируемая: по возможности увеличить анодную нагрузку для триода, избежав при
этом необходимости соответственно снижать анодный ток лампы (либо увеличивать ЕА).
Конечно, лампы ставят здесь в одинаковый режим (R3 = R4), чтобы напряжение анодного питания распределялось на них поровну, в данном случае
- по 125 В на каждой.
Для нижнего триода - верхний является динамической нагрузкой, его эквивалентное сопротивление равно . Много это
или мало?
Выберем для 6Н1П паспортный ток 7,5 мА. При напряжении на аноде 125 В потребуется R3 = 200 Ом. S =
4,45 мА/В, µ = 35. Тогда для верхнего триода: rK = 0,20 + 1/4,45 = 0,42 кОм. RiЭ = 15 кОм.
Но на обычном резисторе такой величины при токе 7,5 мА падало бы 112 В - даже меньше, чем на "динамической нагрузке".
Получается, никакого смысла в усложнении не было?
Причина осечки в том, что выходная вольтамперная характеристика триода с катодным смещением
(штриховая линия на семействе характеристик) мало отличается от характеристики обычного линейного сопротивления (точнее, отличается даже в "худшую" сторону,
имея изгиб в нежелательном направлении, вот почему обычный резистор оказался даже лучше). Как выражаются специалисты, внутреннее сопротивление такой лампы
близко к ее сопротивлению для постоянного тока UA / IA.
Для заявленной цели мог бы послужить, пожалуй, только каскад с катодной стабилизацией, реализованный, к примеру, включением в цепь сетки верхнего триода батарейки
положительного смещения ECM (вторая штриховая линия). Возможно и применение пентода, только включенного по схеме пентодного повторителя.
Тем не менее, схема дает эффект, только иным путем, чем считает автор. При небольшом усилении (ясно, что оно при идентичных лампах оно равно половине
от потенциального) линейность обеспечивается здесь компенсацией искажений: ведь внутреннее сопротивление триода зависит в основном от тока, а не от напряжения анода.
10.10. Странный катодный повторитель
Впрочем, продвинутые разработчики используют предыдущую схему несколько в другом виде, когда выходной сигнал снимается с катода верхнего
триода. Будто бы при этом конфигурация катодного повторителя обеспечивает низкое выходное сопротивление.
Хотя, как кажется, повторитель здесь какой-то странный - да и есть ли он на самом деле?
Предположим, нижняя часть имеет высокое внутреннее сопротивление (к примеру, это пентод). Тогда входным сигналом для верхнего триода будет падение
напряжения от анодного тока на R4, оно действует между сеткой и катодом, следовательно, никакого повторителя тут нет. Сопротивление нагрузочного
триода равно просто Ri. Вспомните, с "мнимыми" повторителями мы уже встречались!
Противоположная ситуация: допустим (каким-то чудом) сопротивление нижнего триода с анода очень низкое. Вот тогда действительно налицо катодный
повторитель: входное напряжение для верхнего триода действует относительно земли, а нижний конец катодного резистора в идеальном повторителе может быть присоединен куда угодно.
Здесь выходное сопротивление будет равно 1/S.
Понятно, что на деле будет некая промежуточная ситуация, но близкая к первой; хитрое включение снизит выходное сопротивление всего лишь примерно
вдвое. Разумеется, и двукратное снижение может быть плюсом для разработчика.
Впрочем, подобные конфигурации имеют еще одно несомненное достоинство: "высоким классом" схемотехники они оказывают неизгладимое впечатление на
профанов.
10.11. Положительная обратная связь?
Попалась мне схема усилителя для наушников. В описании сказано, что выходной каскад здесь по схеме "каскодного повторителя".
Назвать можно как угодно.
Однако пишут, что здесь образуется местная ПОС...
Это недоразумение.
Представлен классический повторитель с общей отрицательной обратной связью. Разумеется, такая двухламповая схема превосходит обычный повторитель:
выходное сопротивление ее ниже.
Написано, что и коэффициент передачи каскада увеличен.
Да, в смысле - более близок к единице. Дело не в "увеличении", конечно, оно никому не нужно. А в большей линейности.
Но откуда взялась мысль, что здесь - положительная обратная связь? Хотя я и сам понимаю, что связь с анода на сетку никак не может быть
положительной...
Начнем с того, что обратная связь, призванная стабилизировать ток верхнего триода, слишком слаба - по причине недостаточного усиления. Она лишь
несколько линеаризует схему.
Внутренняя механика здесь такова, что изменения анодного тока нижнего триода отчасти компенсируют ток нагрузки. Таким образом, повторитель как бы
работает на более высокое сопротивление, то есть в более благоприятном режиме.
Причем же тут ПОС?
Просто нижний триод здесь в каком-то смысле эквивалентен отрицательному сопротивлению: действуя параллельно нагрузке, он не понижает, а повышает
сопротивление. Это же происходит в любой схеме с общей ООС.
Сергей Гаврилов
Часть [1] [2] [3]
[4] [5] [6]
[7] [8]
|