Частотная характеристика каскада с катодной нагрузкой благодари действию обратной Связи имеет завал на более высоких
частотах по сравнению с частотной характеристикой каскада с анодной нагрузкой, имеющего те же параметры. Она может быть рассчитана,
если в формулы, выведенные для каскада с анодной нагрузкой, вместо Ri’ подставить Ri.
Например, когда сопротивление нагрузки состоит на параллельно соединенных активного сопротивления RH и
емкости См и действием емкости Сск можно пренебречь, то коэффициент частотных
искажений М = Ko/K на некоторой частоте f равен
где Rэ = RH Ri’ (RH +
Ri’).
Высшая частота fв, при которой М не превышает заданной величины, равна
где коэффициент А, зависит от величины М. При 1/М = 0,707 А = 1, при 1/ М = 0,8 А
= 0,75 и при 1/М = 0,9 А = 0,49.
Если заданной является частота Д, то величина Rэ, при которой получается требуемая частотная
характеристика
Для рассмотренного ранее примера Rэ = 336 Ом. Поэтому, если Cн = 300
пф, а Сэ= 20 пф и допустим завал частотной характеристики на 3 дБ до
(1/М = 0,707) то fв = 1,6 МГц
Для каскада с анодной нагрузкой Rэ = RH Ri (RH
+ Ri). Поэтому если в каскаде с анодной нагрузкой применить ту же лампу и сопротивление Zн то
Rэ = 3,36 кОм и fв = 0,15 МГц, т. е. в десять раз меньше,
чем у каскада с катодной нагрузкой. Однако для одной и той же лампы, работающей в одном и том же режиме при одинаковых значениях
Rэ и Сэ произведение Kfв не зависит от того, применяется ли она
в каскаде с анодной или катодной нагрузкой. Если
при прочих равных условиях в каскаде с катодной нагрузкой сопротивление нагрузки равно RHK, а в
каскаде с анодной нагрузкой RHА = RHK /(1 +SRHK), то
коэффициенты передачи этих каскадов и их частотные характеристики будут одинаковыми.
Наличие емкости Сск приводит к тому, что коэффициент передачи каскада, уменьшаясь с увеличением
частоты, стремится не к нулю, а к величине Cск(Cск + Скз + Сн).
Это происходит потому, что на очень высоких частотах каскад с катодной нагрузкой представляет собой емкостной делитель, образованный
емкостями Сск и Скз + Сн
Если Сск << SДИНRН(Скз + Сн)
что обычно имеет место на практике, то коэффициент передачи каскада уменьшается с увеличением частоты сигнала. В Случае,
когда Сск = SДИНRН(Скз + Сн) коэффициент
передачи каскада не зависит от частоты сигнала и равен Cск(Cск + Скз
+ Сн), а фазовый сдвиг между выходным и входным напряжением отсутствует; если же Сск
> SДИНRН(Скз + Сн), тo при повышении частоты коэффициент
передачи увеличивается, стремясь к величине Cск(Cск + Скз + Сн).
Искажение формы импульсных напряжений в каскаде с катодной нагрузкой
при Сск << SДИНRН(Скз
+ Сн) происходит таким же образом, как и в каскаде с анодной нагрузкой.
Если, например, нагрузка состоит из параллельного соединения активного сопротивления RH и емкости Сн
и входное напряжение имеет форму прямоугольного импульса, то выходное напряжение нарастает по экспоненте. Но при одинаковых
RH и Сн. в каскаде с катодной нагрузкой время нарастания выходного напряжения оказывается
меньшим, чем в каскаде с анодной нагрузкой. Если время, необходимое для нарастания выходного напряжения от 0,1 до 0,9 его
стационарной величины, обозначить через tH, то в рассматриваемом случае
Для каскада с катодной нагрузкой время нарастания выходного напряжения будет во столько раз меньше времени нарастания
напряжения в каскаде с анодной нагрузкой, во сколько раз Ra первого меньше Ra
второго. Однако выигрыш во времени нарастания здесь происходит за счет проигрыша по усилению, а при одинаковых коэффициентах
усиления сравниваемых каскадов время нарастания выходного напряжения получается одинаковым. Хотя на практике обычно имеет
место неравенство Сск < SДИНRН(Скз + Сн),
интересно отметить, что при Сск = SДИНRН(Скз + Сн)
усиливаемый импульс воспроизводится без искажений.
Полное входное сопротивление каскада с катодной нагрузкой можно рассматривать как параллельное соединение некоторой
входной емкости и входного активного сопротивления.
Входная емкость состоит из параллельно соединенных емкостей См, Сса и С'Ск.
Последняя соответствует реактивному сопротивлению, обусловленному током, протекающим между сеткой и катодом лампы через
емкость Сск. Переменная составляющая приложенного к ней напряжения в случае синусоидального сигнала и синфазно-сти
напряжений uвых и uвх в 1/(1—К) раз меньше, чем переменная
составляющая uвх. Во столько же раз меньше и ток, протекающий через эту емкость, по сравнению с током,
протекающим через Сск при непосредственном подключении этой емкости к входным зажимам каскада. Следовательно,
С'ск = Сск (1 — К), а полная входная емкость
Поэтому входная емкость каскада с катодной нагрузкой обычно меньше входной емкости каскада с анодной нагрузкой,
что является достоинством каскада с катодной нагрузкой.
Если между переменными составляющими напряжений uвх и uвых
имеется сдвиг фаз (частота усиливаемого сигнала такова, что реактивной
составляющей нагрузки пренебречь нельзя), то эквивалентная емкость Сск получает большее значение, чем
ранее определенное, и при возрастании фазового сдвига приближается к значению Сск.
Поэтому на высоких частотах большого уменьшения входной емкости получить не удается.
При этом составляющая входного сопротивления, определяемая током промежутка сетка—катод, имеет, кроме емкостной составляющей,
также и активную составляющую R’вх. Если нагрузка имеет емкостной характер, то R’вх отрицательно.
Активное входное сопротивление каскада, схема которого изображена иа рис. 1, а (сопротивление Rс
отсутствует), равно R’вх.
При наличии сопротивления Rс (рис. 1, б и г) активное входное сопротивление
состоит из параллельно соединенных сопротивлений Rс и R’вх и
становится отрицательным на частотах, при которых |R’вх| < Rс.
В случае каскада, собранного по схеме рис. 1, в, активная составляющая входного сопротивления Rc,
вызванная током через Rc, больше величины этого сопротивления во столько раз, во сколь ко ток,
протекающий через Rc, меньше тока, который протекал бы через это сопротивление при его подключении
ко входным зажимам каскада. Поскольку отношение указанных токов равно отношению Uмакс.вх. –
U’макс. к Uмакс.вх. то
Увеличение входного сопротивления позволяет уменьшить Сс во столько раз, во сколько R'с
больше Rс. При этом частотные искажения, вносимые цепью Сс Rc, остаются прежними. Кроме того,
увеличение входного сопротивления уменьшает шунтирование входной цепью источника сигнала.
Если, например, К = 0,9, R1 = = 470 Ом и R2 = 5600 Ом,
то R’c больше, чем Rc в 5,9 раза.
Так как при емкостной нагрузке составляющая входного сопротивления R’вх отрицательна, то на определенной
частоте, зависящей от величины Rc (или R’с ) и внутреннего
сопротивления источника сигнала, каскад может возбудиться. Самовозбуждение может быть устранено, если в цепь сетки лампы
включить последовательно сопротивление порядка десятков—сотен Ом. Следует иметь в виду, что чем больше величина этого сопротивления,
тем хуже частотная характеристика предшествующего каскада на высоких частотах.
Максимальные выходное и входное напряжения при усилении синусоидальных сигналов определяются максимальной амплитудой
анодного тока Iмакс. ≈ I'макс ≈ I''макс (рис. 2) которую может
отдать лампа при допустимых нелинейных искажениях и отсутствии сеточных токов. Определив величину Iмакс
и зная абсолютное значение сопротивления нагрузки ZН, можно найти максимальную величину выходного
напряжения.
Uмакс. вых = Uмакс ZН
Если сопротивление нагрузки состоит из параллельного соединения активного сопротивления RH и
емкости СH, то
и максимальная амплитуда входного напряжения
Uмакс. вх = Uмакс. вых/К
где К = К0/M — коэффициент передачи каскада на той частоте, при которой определяется
Uмакс. вх.
Если сопротивление нагрузки чисто активно (входное и выходное напряжения синфазны), то максимальная амплитуда входного
напряжения также может быть определена как
где Uмакс. ск ≈ U’макс ≈ U’’макс - максимальная амплитуда
переменного напряжения между сеткой и катодом лампы, при которой работа происходит в линейной области динамической характеристики
без захода в область сеточных токов (рис. 2).
Для того чтобы каскады с катодной и анодной нагрузками при одинаковом значении СH имели
одинаковую полосу пропускания, необходимо, чтобы активная составляющая нагрузки RНА была
в (1 + SRНК) раз меньше, чем RНК. Поэтому при одинаковой
полосе пропускания с одной и той же лампы (при одинаковой максимальной амплитуде тока) можно получить в каскаде с катодной
нагрузкой большее выходное напряжение, чем в каскаде с анодной нагрузкой. Выигрыш по максимально допустимому выходному напряжению,
который дает каскад с катодной нагрузкой, не будет одинаковым на всех частотах и может быть определен как частное от деления
величин ZН каскадов с катодной и анодной нагрузками.
Выигрыш по максимальному выходному напряжению получается также в случае необходимости согласовать выходное сопротивление
усилителя с сопротивлением низкоомной нагрузки. Максимальная величина этого выигрыша близка к 2, если Ri’
равно сопротивлению нагрузки.
Для получения заданной амплитуды выходного напряжения лампа оконечного каскада выбирается по максимальной амплитуде
тока Iмакс = Uмакс.вых./ZН
(ZН определяется для той частоты, на которой оно минимально).
При усилении импульсных напряжений максимально допустимое значение перепада входного напряжения ∆Uмакс.вх.
= ∆Uмакс.(1 — К) только в том случае, когда постоянная времени каскада τк
= Ra (СН — Скз) во много раз меньше времени нарастания фронтов
импульса.
При усилении двусторонних импульсов можно считать ∆Uмакс. ≈ ∆U’макс.
≈ ∆U’’макс. (рис. 2), при усилении же импульсов одного направления и соответствующем
выборе рабочей точки ∆Uмакс. ≈ ∆U’макс. +
∆U’’макс.
Чем меньше время нарастания фронта входного импульса, тем меньше величина входного напряжения, при котором изменение
напряжения между сеткой и катодом не превышает допустимой величины ∆Uмакс В пределе, когда время
нарастания фронта входного напряжения равно нулю (входное напряжение нарастает мгновенно),
∆Uмакс.вх. = ∆Uмакс.
Таким образом, максимально допустимое входное напряжение в зависимости от времени нарастания входного импульса должно
находиться в пределах ∆Uмакс./(1 — К) > ∆Uмакс.вх.
> > ∆Uмакс. и, например, если фронт входного импульса нарастает по экспоненте, показатель
затухания которой
τи = τк и К0 = 0,9, то ∆Uмакс.вх ≤
2,5 ∆Uмакс.
Стабильность коэффициента передачи каскада с катодной нагрузкой при изменении параметров ламп значительно выше, чем стабильность
коэффициента передачи каскада с анодной нагрузкой, вследствие глубокой отрицательной обратной связи, которой охвачен каскад.
Если относительную нестабильность, которая определяется отношением приращения коэффициента передачи, вызванного изменением
параметров, к коэффициенту передачи при средних параметрах лампы для каскадов с катодной и анодной нагрузками, обозначить
через m и n, то при одинаковых параметрах ламп и нагрузок m = n/[1+ SДИНRН(1 + n)].
Так, например, если SДИН =1,5 мА/В, RН=6 кОм и n=0,3,
то отношение не-стабильностей каскадов с анодной и катодной нагрузками равно 12,7. Для каскада усиления на сопротивлениях
с анодной нагрузкой n = [(1 + α) β - γ]/(1 + α + γ). где
β = ∆μ/μ. γ = ∆Ri/Ri и α = RН/Ri.
Значительное увеличение стабильности коэффициента передачи является достоинством каскада с катодной нагрузкой.
Коэффициент гармоник каскада с катодной нагрузкой может быть определен
как кг = к'г/(1+ SДИНRН), где к'г
— коэффициент гармоник, обусловленный нелинейностью используемого рабочего участка динамической характеристики.
Допустимое напряжение пульсаций. Если допустимым является напряжение пульсации на выходе усилителя, равное Uп,
то допустимое напряжение пульсаций источника питания равно
Это напряжение значительно больше, чем соответствующее напряжение для каскада усиления на сопротивлениях с анодной нагрузкой.
В случае, если в цепи анода необходимо применить гасящее сопротивление Rф, то величина конденсатора
Сф, шунтирующего сопротивление, выбирается исходя из допустимых искажений частотной характеристики на низшей
частоте fн рабочего диапазона и может быть рассчитана по формуле
где В — коэффициент, зависящий от величины в = Rф/(Ri
+ μRН + RН) и допустимой величины частотных искажений на низких частотах.
Если на низшей рабочей частоте fн спад частотной характеристики за счет цепи RфСф
не должен превышать 1 %, то при в = 0,5, В = 7,8, при в = 0,1 В = 3 и при в = 0,05
В = 2.
Если спад не должен превышать 5 %, то при в = 0,5 В = 3,3, при в = 0,1 В=1и при в
= 0,06 В = 0,4.
В. Клязник, кандидат технических наук
Часть [1] [2]
|