Упрощенная принципиальная схема фазоинверсного каскада на двойном триоде

Напряжение U2, противоположное напряжению U, по фазе, формируется с помощью второго триода лампы (Л1Б). Параметры этого триода, режимы его работы и величина сопротивления нагрузки (резистор R^) выбраны такими же, как и для первого триода. Поэтому каскад на триоде Л1Б имеет тот же коэффициент усиления К. Однако напряжение, подаваемое на управляющую сетку триода Л1Б, будет в К раз больше, чем напряжение UBX, подаваемое на управляющую сетку триода Л1А. С учетом этого обстоятельства для того, чтобы получить на выходе лампы напряжение U2, равное по амплитуде напряжению U,, на сетку триода Л1Б необходимо подать напряжение, в К раз меньшее, чем напряжение U,. Это напряжение снимается с резистора R2. Сформированное таким образом напряжение U2 через конденсатор Ср2 подается на управляющую сетку лампы второго плеча двухтактного каскада и одновременно на управляющую сетку второго триода фазоинверсного каскада.

В результате данный каскад не только формирует два одинаковых по амплитуде, но противофазных напряжения Uj и U2, но и обеспечивает усиление входного напряжения UBX.

Для лампы верхнего (по схеме) плеча последующего двухтактного каскада сопротивление утечки образуется резисторами R1 и R2. В то же время для лампы нижнего (по схеме) плеча оконечного двухтактного каскада сопротивление утечки образуется резистором R3. Поскольку нормальная работа оконечного усилительного каскада обеспечивается при равенстве величин сопротивлений утечки, должно соблюдаться следующее равенство:

/8 = R1 + /2.

В то же время резисторы R1 и R2 образуют делитель, на котором формируется входное напряжение для второго триода фазоинверсного каскада. При этом должно выполняться следующее условие:

/2 = /8 /К

Это означает, что величина сопротивления резистора R2 должна быть в К раз (где К коэффициент усиления) меньше, чем сумма сопротивлений резисторов R1 и R2:

№ = (Rl + В2) / К

Однако на практике довольно сложно подобрать в точности одинаковые сопротивления RA1 и RA2, а также R5 = R1 + В2. Помимо этого триоды Л1А и Л1Б могут иметь некоторый разброс параметров. Поэтому в реальных условиях всегда существует определенная асимметрия ламп и элементов рассматриваемого каскада. В результате возникает асимметрия напряжений Uj и U2. Для уменьшения этой асимметрии вводится балансный резистор R4, величина сопротивления которого может составлять от 10 до 50% величины сопротивления резистора R3.

В специализированной литературе фазоинверсный каскад на двойном триоде часто называется самобалансирующимся. Принцип автоматической самобалансировки рассматриваемой схемы заключается в следующем. Предположим, что каскад строго симметричен. В этом случае токи рабочей частоты, протекающие от триодов Л1д и Л1Б через резистор R4, равны по величине и противоположны по направлению, что приводит к их взаимной компенсации. При этом на резисторе R4 падение напряжения отсутствует.

Если предположить, что каскад станет несимметричным при условии, что напряжение Uj больше напряжения U2, то на резисторе R4 появится падение напряжения AU. Это падение напряжения прибавится к падению напряжения, снимаемому с резистора R2 и подаваемому на сетку второго триода. В результате поступление на сетку триода Л1Б большего входного напряжения приведет к увеличению напряжения U2 до значения, близкого к величине напряжения Ur При обратной асимметрии, когда напряжение Uj будет меньше напряжения U2, напряжение AU будет вычитаться из напряжения, снимаемого с резистора R2. В результате на сетку триода Л1Б будет подаваться меньшее входное напряжение, что приведет к уменьшению напряжения U2 до значения, близкого к величине напряжения Ur Таким образом, любое отклонение величины напряжения Uj сопровождается формированием на резисторе R4 дополнительного выравнивающего напряжения с соответствующим знаком, которое обеспечивает уменьшение возникающей в схеме асимметрии в несколько раз.

Одной из отличительных особенностей фазоинверсного каскада на двойном триоде является отсутствие в цепи автоматического смещения конденсатора, блокирующего резистор R^. Дело в том, что переменные составляющие анодного тока обеих ламп (или триодов одной лампы) в такой схеме в один и тот же момент противоположны по направлению и, проходя через резистор R^, компенсируют друг друга. Если же эти токи вследствие асимметрии ламп и деталей окажутся неодинаковыми, формируемое на резисторе R^ переменное напряжение будет подаваться на сетки обеих ламп. Для триода, у которого ток больше, это напряжение окажется напряжением отрицательной обратной связи, в результате анодный ток данной лампы уменьшится. Для триода с меньшим анодным током обратная связь будет положительной, в результате анодный ток этой лампы увеличится. Так происходит выравнивание токов, то есть симметрирование схемы.

В середине прошлого века была разработана схема другого варианта самобалансирующегося инверсного каскада, которая широко используется и в современных конструкциях. Упрощенная принципиальная схема такого фазоинвертора приведена на рис. 3.44.

В отличие от самобалансирующегося каскада, рассмотренного ранее, функции делителя напряжения и балансирования в этой схеме выполняет один резистор R3. При этом величины сопротивлений R1 и R2 выбираются неравными, вследствие чего на резисторе R3 всегда присутствует падение напряжения, подаваемое на сетку триода Л1Б. В зависимости от степени симметрии ламп и нагрузочных сопротивлений данное падение напряжения становится или больше, или меньше, но всегда остается таким, что значение амплитуды напряжения U2 оказывается близким значению амплитуды Ur Главное достоинство такой схемы заключается в отсутствии одного резистора. Главный же недостаток несколько худшая реакция на асимметрию.

На практике в усилителях сравнительно невысокого качества иногда применяются так называемые упрощенные схемы поворота фазы. В них возбуждение двухтактных каскадов осуществляется сигналом, подаваемым от обычного несимметричного усилителя. Принципиальные схемы двух вариантов таких схемотехнических решений приведены на рис. 3.45.

В двухтактном усилителе (рис. 3.45, а) напряжение низкой частоты, подаваемое на управляющую сетку лампы Л2, формируется на делителе R4R5, включенном в анодную цепь лампы Л1. Величина сопротивления резистора R5 подбирается так, чтобы переменная составляющая анодного напряжения лампы Л2 равнялась переменной составляющей анодного напряжения лампы Л1. В процессе усиления нижняя по схеме лампа обеспечивает поворот фазы усиливаемого напряжения на 180°. В результате на первичной обмотке трансформатора Тр1 выполняется условие противоположности напряжений по знаку при равенстве амплитуд.

В рассматриваемой схеме конденсатор С1 отделяет постоянную составляющую, а резистор R6 обеспечивает симметричные условия работы трансформатора Тр1. Величина сопротивления этого резистора обычно выбирается в пять раз больше величины сопротивления нагрузки между анодами ламп при соблюдении следующего равенства:

Дб = М + В5

Рис. 3.45. Принципиальные схемы вариантов оконечных УНЧ с упрощенными каскадами поворота фазы

Напряжение смещения формируется на резисторе R2 и через резисторы R1 и R3 подается на управляющие сетки ламп Л1 и Л2.

В двухтактном усилителе (рис. 3.45, б) напряжение низкой частоты, подаваемое на управляющую сетку лампы Л2, формируется на резисторе R4, включенном в цепь экранной сетки. При этом значение напряжения возбуждения второй лампы каскада определяется величиной переменной составляющей тока экранной сетки и величиной сопротивления резистора R4.

Достоинством упрощенных схем поворота фазы является их сравнительная простота. К недостаткам таких схемотехнических решений по сравнению со схемами обычных двухтактных каскадов, возбуждаемых двумя противофазными напряжениями, следует отнести увеличение нелинейных искажений и помех. Поэтому упрощенные схемы поворота фазы в двухтактных каскадах применяются в тех случаях, когда не требуется высокое качество усиливаемого сигнала.

Усилительный каскад с катодной нагрузкой

В современной высококачественной ламповой звуковоспроизводящей аппаратуре для согласования каскадов с различными параметрами используются каскады с катодной нагрузкой. Часто такие каскады называют катодными повторителями, поскольку выходное напряжение в них обычно как по фазе, так и по форме достаточно верно повторяет входное. Практически не изменяя усиление сигнала и не внося в него частотные искажения, катодные повторители повышают выходное сопротивление каскада до значения, необходимого для согласования с последующим каскадом. Упрощенная принципиальная схема усилительного каскада с катодной нагрузкой приведена на рис. 3.46. При этом сопротивление нагрузки ZH по умолчанию считается комплексным.

Следует напомнить, что в усилительном каскаде с анодной нагрузкой изменениями анодного тока управляет действующее между сеткой и катодом напряжение UCK, равное входному напряжению UBX. Главное отличие усилительного каскада с катодной нагрузкой заключается в том, что в таком каскаде управляющее напряжение UCK представляет собой разность между входным и выходным напряжениями и определяется по формуле:

Рис. 3.46. Упрощенная принципиальная схема усилительного каскада с катодной нагрузкой

В результате все основные свойства катодного повторителя определяются тем, что в таком каскаде существует практически 100процентная отрицательная обратная связь по напряжению с последовательным введением напряжения обратной связи во входную цепь.

Еще одно отличие усилительного каскада с катодной нагрузкой от каскада с анодной нагрузкой заключается в том, что в катодном повторителе выходное напряжение, формируемое между катодом и отрицательной шиной источника анодного питания, содержит значительно меньшую постоянную составляющую. Поэтому иногда из схемы можно исключить разделительный конденсатор.

В каскадах с катодной нагрузкой обычно применяются триоды или пентоды в триодном подключении. Если же пентод используется в обычном подключении, то экранирующая сетка лампы должна быть соединена по переменному напряжению с катодом. Такая схема включения может быть реализована, например, если питание на экранирующую сетку подать через гасящий резистор, а между катодом и экранирующей сеткой включить конденсатор.

Необходимо отметить, что усилительный каскад с катодной нагрузкой, выполненный по рассмотренной схеме, может применяться только в том случае, если постоянная составляющая выходного напряжения UBbIX0 на сопротивлении нагрузки

равна напряжению смещения Uc, необходимому для работы лампы в выбранном режиме.

Если выходное напряжение UBbIX0 будет меньше напряжения смещения Uc, то дополнительное напряжение смещения TJcaon определяется по формуле:

Uсдоп “ Uс ~ Uвьт *

Для получения дополнительного напряжения смещения Ucaon можно использовать специальный отдельный источник Ес = U^H или же включить в схему дополнительный резистор Rj^, величина сопротивления которого определяется по формуле:

~ ^СДОЯ / ^АО •

Если же выходное напряжение UBbIX0 будет больше, чем напряжение смещения Uc, то напряжение смещения может подаваться с части катодной нагрузки.

Принципиальные схемы катодных повторителей с различными вариантами формирования напряжения смещения приведены на рис. 3.47.

На частотах, при которых сопротивление нагрузки можно считать активным и равным R^, коэффициент передачи напряжения К0 усилительного каскада с катодной нагрузкой тем больше, чем больше величина R^, но он всегда меньше 1. Обычно входное сопротивление RBX катодного повторителя велико, а сопротивление мало. Поэтому, не давая усиления по напряжению, такой каскад обеспечивает усиление по току и по мощности.

Частотная характеристика каскада с катодной нагрузкой, благодаря действию обратной связи, имеет завал на более высоких частотах по сравнению с частотной характеристикой каскада с анодной нагрузкой, имеющего те же параметры.

На практике для согласования каскадов в звуковоспроизводящей аппаратуре чаще всего используются усилительные каскады с катодной нагрузкой, выполненные на триодпенто дах или двойных триодах. Так, например, на рис. 3.48 приведена принципиальная схема предварительного усилителя, выполненного на триодпентоде.

В данной схеме крайний левый и крайний правый по схеме триоды работают как катодные повторители. На остальных триодах собраны обычные усилительные каскады с анодной нагрузкой, между которыми включены регуляторы тембра. Сопротивление нагрузки такого предварительного усилителя может быть от 50 кОм и выше. Необходимо отметить, что регулятор громкости включен перед вторым катодным повторителем.

Каскодиая схема

Главной задачей, которая ставится перед разработчиками высококачественных ламповых УНЧ, является создание звуковоспроизводящей аппаратуры, обеспечивающей усиление сигнала до необходимого уровня с минимальными искажениями. Для достижения этой цели применяются различные схемотехнические решения.

Примером одного из удачных решений можно считать использование в качестве предварительного усилителя специального усилительного каскада с активной нагрузкой. В таком каскаде в анодную цепь лампы, обычно работающей в режиме А, вместо анодного нагрузочного сопротивления включается вторая лампа. В результате на выходе каскада формируется сигнал со сравнительно высокой степенью симметрии относительно средней точки питающего напряжения. В специальной литературе такую схему называют рповторителем, juусилителем, каскадом SRPP (от англ. Series Regulated Push Pull) или каскодной схемой.

Чаще всего каскодные схемы разрабатываются на основе двойных триодов, один из которых используется непосредственно в усилительном каскаде, а второй играет роль активной нагрузки. Принципиальная схема включения двойного триода в каскаде SRPP приведена на рис. 3.51.

В рассматриваемой схеме значения элементов приведены для двойного триода типа ЕСС99 иностранного производства. Необходимо отметить, что величины сопротивлений резисторов R3 и R4 в цепях катодов триодов должны быть равны между собой. При одинаковых параметрах обоих триодов в режиме покоя на аноде нижнего по схеме триода будет напряжение,

равное половине питающего напряжения. В результате при работе лампы с рабочей точкой в середине линейного участка характеристики выходной сигнал будет практически симметричным.

Варианты каскодных схем для ламповых УНЧ разрабатывались и в Советском Союзе. Так, например, одно из весьма интересных схемотехнических решений было предложено и опубликовано еще в начале 60х годов XX века. Принципиальная схема такого каскада, в котором можно использовать широко распространенные отечественные лампы типов 6Н1П, 6Н2П и 6НЗП, приведена на рис. 3.52.

При таком включении сопротивление нагрузки второго триода в общем случае представляет собой суммарное сопротивление параллельно включенных сопротивления анодной нагрузки R3 и входного сопротивления второго каскада.

На практике при напряжении анодного питания 300 В не следует выбирать величину сопротивления резистора R3 более 500 кОм, поскольку изза уменьшения анодного тока значительно уменьшается крутизна. Так, например, при анодном токе менее 2 мА лампы 6Н1П и 6НЗП работают на нелинейных участках характеристики. Аналогичная ситуация для лампы 6Н2П наступает при анодном токе величиной 0,75 мА. Поэтому в анодную цепь первого триода рекомендуется включить резистор R5. В результате первый триод будет работать в нормальном режиме. При не слишком большой величине сопротивления резистора R3 и второй триод будет работать на линейном участке характеристики.

При использовании в рассматриваемой схеме двойных триодов типа 6Н1П и 6Н2П величину сопротивления резистора R5 следует выбрать равной 100 кОм. При этом резистор R2 должен иметь сопротивление 1,5 кОм, а резистор R3 соответственно 270 кОм (для 6Н1П) и 360 кОм (для 6Н2П). Для лампы 6НЗП величина сопротивления R5 должна быть равной 51 кОм, резистор R3 должен иметь сопротивление 180 кОм, а резистор R3 270 Ом. Необходимо отметить, что для уменьшения уровня шумов накал лампы ЛІ должен осуществляться постоянным током.

Параллельное включение ламп

Выходную мощность однотактного УНЧ можно повысить параллельным подключением к лампе выходного каскада еще одной или нескольких ламп. Таким образом, при том же питающем и анодном напряжении анодный ток и, соответственно, выходная мощность каскада увеличиваются в два или более раз.

Принципиальная схема простого двухтактного усилителя мощности

параллельном подключении двух ламп катодный ток возрастает в два раза. Следует отметить, что и мощность резистора R3 также должна быть увеличена в два раза, то есть с 5 до 10 Вт. Для достижения двукратного увеличения выходной мощности также в два раза потребуется уменьшить полное сопротивление первичной обмотки трансформатора Тр1.

Теоретически подобным способом параллельно лампе выходного каскада можно подключить и большее количество аналогичных ламп с практически идентичными параметрами.

Рис. 3.55. Принципиальная схема простого двухтактного усилителя мощности с параллельным включением ламп

Поэтому в продаже можно встретить уже подобранные пары и даже четверки ламп для использования в параллельном включении выходного каскада УНЧ.

Как и в однотактном ламповом УНЧ, повысить выходную мощность двухтактного усилителя можно параллельным подключением к лампам выходного каскада еще одной или нескольких ламп. При том же питающем и анодном напряжении анодный ток и, соответственно, выходная мощность каскада увеличиваются в два или более раз. Особенности такого подключения мы поясним на примере простого двухтактного усилителя мощности, принципиальная схема которого приведена на рис. 3.54.

Данный усилитель представляет собой два одинаковых канала, основу каждого из которых составляет однотактный усилитель, рассмотренный ранее. Пример параллельного подключения дополнительных ламп в оконечном каскаде такого двухтактного УНЧ приведен на рис. 3.55.

При выборе параметров элементов для двухтактного лампового УНЧ с параллельным подключением ламп справедливы все замечания и рекомендации, упомянутые ранее для од нотактной схемы.

Отрицательная обратная связь

В современных высококачественных ламповых УНЧ, как разрабатываемых радиолюбителями, так и выпускаемых ведущими фирмами, широко применяются различные схемотехнические решения, основу которых составляет использование некоторых видов обратной связи (ОС).

Принцип использования в ламповом УНЧ, например, отрицательной обратной связи (ООС), применение которой позволяет за счет снижения коэффициента усиления улучшить качество звучания и уменьшить вносимые искажения, заключается в следующем. На вход усилителя подается некоторая часть выходного напряжения, фаза которого отличается от фазы входного напряжения на 180° или почти на это значение. При этом величина напряжения, подаваемого на вход усилителя через цепь обратной связи, может зависеть или от тока в нагрузке, или от выходного напряжения или же одновременно от того и другого. Поэтому различаются следующие виды отрицательной обратной связи: по току, по напряжению и смешанная обратная связь. Если напряжение ОС вводится во входную цепь последовательно с первичным источником входного напряжения, такая схема называется схемой с последовательной обратной связью. Схемы, в которых напряжение ОС подается параллельно источнику входного напряжения, называются схемами с параллельной обратной связью.

Уменьшение коэффициента усиления при использовании последовательной отрицательной обратной связи объясняется тем, что изза разности фаз напряжение на сетке лампы оказывается меньше входного сигнала на величину напряжения ОС. В результате понижение подаваемого на сетку лампы напряжения приведет и к уменьшению напряжения, формируемого на выходе усилителя. Поэтому коэффициент усиления каскада, охваченного ООС, будет меньше, чем у аналогичного каскада без ООС.

Помимо уменьшения коэффициента усиления отрицательная обратная связь оказывает весьма существенное влияние на искажения различного рода. Дело в том, что искажения и помехи, возникающие в усилительном тракте, являются причиной изменений формы сигнала на выходе. В усилителе с ООС любое искажение формы сигнала приведет к подаче на вход противофазного напряжения, вызванного искажениями на входе усилителя. В процессе усиления это дополнительное напряжение и будет компенсировать возникшие искажения.

Необходимо отметить, что введение ООС оказывает влияние и на форму частотной характеристики усилителя. Поскольку в результате уменьшения коэффициента усиления на крайних частотах воспроизводимого диапазона уменьшается напряжение соответствующих составляющих на выходе усилителя, то и напряжение обратной связи для сигналов этих частот, подаваемое в противофазе на вход усилителя, также будет меньше. Поэтому и результирующее напряжение, поступающее на сетку лампы, на низших и высших частотах понижается в меньшей степени, чем на средних частотах. Этим обеспечивается относительное увеличение напряжения на выходе. Таким образом, на средних частотах воспроизводимого диапазона отрицательная обратная связь оказывает заметно большее воздействие на величину коэффициента усиления каскада, чем на высших и низших частотах.

Принципиальная схема оконечного усилительного каскада с отрицательной обратной связью приведена на рис. 3.56.