3. Реостатный усилительный каскад с общим катодом

Реостатным усилителем (RCусилителем) называется такой усилитель, у которого нагрузкой лампы является активное сопротивление. Реостатный каскад обычно выполняется на триоде или пентоде. Типичные схемы реостатных каскадов с общим катодом (ОК) показаны на рис.4. Работа обеих схем одинакова и для объяснения процессов, происходящих в усилителе, можно воспользоваться любой из них.

Анализировать работу каскада удобно с помощью анодно – сеточной (проходной) характеристики радиолампы. На рис.5 приведена одна такая характеристикаI_A=f(U_C). На рисунке представлены также графики физических процессов в реостатном усилителе на триоде.

Под воздействием входного напряжения происходит изменение анодного тока, т.е. в анодной цепи лампы появляется его переменная составляющая. При активной анодной нагрузке переменная составляющая анодного тока находится в фазе с переменным напряжением на сетке лампы и равнаI_А=S_dU_ВХ. Здесь S_d– крутизна проходной (анодно - сеточной) характеристики лампы. При усилении колебаний средних частот сопротивление анодной нагрузки лампы приблизительно равноR_А. Переменное напряжение на аноде лампы находится в противофазе с переменным напряжением на ее сетке. Действительно, при повышении напряжения на сетке анодный ток возрастает и увеличивается падение напряжения на сопротивлении R_А. Так какU_А=Е_П-I_АR_А, то напряжение U_Ападает. Таким образом, сдвиг фаз между входным и выходным напряжением равен 180. Коэффициент усиления напряжения на средних частотах равен.

Для того, чтобы усилитель работал без сеточного тока, вносящего нелинейные искажения, и уменьшить постоянную составляющую анодного тока на сетку лампы (относительно катода) подается отрицательное напряжение смещения так, чтобы рабочая точка находилась приблизительно на середине прямолинейного участка характеристики, как это показано на рис.5. Источником напряжения смещения может служить батарея или маломощный выпрямитель. На рис.6 показано включение такого источника в цепь сетки. Более распространенным является автоматическое смещение, в качестве которого используется небольшая часть напряжения анодного источника. Получение автоматического напряжения смещения показано на рис.4а. В анодную цепь между катодом и минусом анодного источника Е_Пвключается сопротивлениеR_К, называемое сопротивлением смещения, или катодным сопротивлением. Постоянная составляющая анодного токаI_Асоздает на сопротивленииR_Кпадение напряжения Е_СМ=I_АR_К. Потенциал земли () относительно катода равенI_АR_К, а потенциал сетки относительно земли равен нулю, так как лампа работает без сеточного тока. Поэтому потенциал сетки относительно катода равен Е_СМ=I_АR_К. Например, еслиR_К=500Ом иI_А=6мА, то напряжение смещения Е_СМ=0,06500=3В.

Из рис.5 видно, что сначала при увеличении входного напряжения анодный ток и напряжение выходного сигнала линейно увеличиваются, т.е. U_ВЫХпропорциональноU_ВХ. Это соответствует линейному участку амплитудной характеристики (рис.2). При дальнейшем увеличении амплитуды входного сигнала форма импульсов анодного тока вначале искажается и в дальнейшем ограничивается, что связано с нижним и верхним загибом анодно – сеточной характеристики лампы. На амплитудной характеристике (рис.2) появляется отклонение от линейности и загиб. Таким образом при больших входных гармонических сигналах на входе выходной сигнал становится не гармоническим, т.е. появляются нелинейные искажения.

Как видно из рис.3б частотная характеристика реостатного усилителя имеет спад на нижних и верхних частотах. Для объяснения формы АЧХ удобно воспользоваться эквивалентными схемами. На рис.7показана эквивалентная схема для всех частот для переменных токов и напряжений усилителя, изображенного на рис.4а. На этой схеме радиолампа заменена эквивалентным генератором с ЭДСU_ВХи внутренним сопротивлениемR_i. Здесь- статический коэффициент усиления лампы, аR_i– ее внутреннее сопротивление (указываются в справочнике). Сопротивление нагрузкиR_Аодним выводом соединено с анодом, а другим – с катодом через большую емкость С_ИП, подключенную параллельно источнику питания Е_П. ПараллельноR_Авключена выходная паразитная емкость лампы анод – катод С_АК. Выходное напряжение сR_Ачерез разделительную емкость С_Рподается на сопротивление нагрузкиR_Н. Если к выходу первого каскада подключен второй каскад усиления, тоR_Несть сопротивление утечки сетки этого каскада. Кроме того, параллельноR_Нвключена емкость С_Н. Если есть второй каскад, то это - входная емкость этого каскада. Емкость монтажа С_М(она является распределенной) также подключается параллельноR_Н. Емкости С_АК, С_Ми С_Нявляются паразитными. Для понимания процессов, происходящих в схеме, необходимо знать порядки величин сопротивлений и емкостей усилителя. ОбычноR_iравняется нескольким десяткам кОм,R_А- нескольким десяткам или сотням кОм,R_Ндолжно быть того же порядка величины, что иR_А(или больше).R_С0,51,0МОм, С_Р0,010,1мкФ, С_АК1пФ, С_Н=С_ВХ3пФ, С_М2пФ.

На нижних частотах сопротивления паразитных емкостейX_СПR_АиX_СПR_Н, поэтому их можно не учитывать. Эквивалентная схема для нижних частот приведена на рис.8. Для примера допустим, что эквивалентный генератор вырабатывает ЭДСU_ВХ=100В. ПустьR_А=R_iиR_НR_А. Тогда на сопротивленииR_Авыделится напряжениеU₁₁=50В. Это напряжение должно быть передано на выходные клеммы схемы (к точкам 2,2) через делитель напряжения С_РR_Н. Коэффициент передачи делителя. Поэтому. Так как, то зависит от частоты. Приf=0X_СР=иU_ВЫХ=0. При этом все напряжениеU₁₁, равное 50В, падает на конденсаторе С_Р. При увеличении частоты сопротивление X_СРуменьшается,увеличивается иU_ВЫХтакже увеличивается. При какой-то частотеX_СРстановится равнымR_Н. Тогда=0,5 иU_ВЫХ=25В. При этом половина напряженияU₁₁=50В падает наX_СРи половина поступает на выход (U_ВЫХ=U₂₂=25В). При дальнейшем увеличении частоты потеря напряжения на конденсаторе С_Руменьшается, аU_ВЫХрастет. На какой-то частоте падение напряжения на С_Рстановится ничтожно малым и все напряжение сR_Апередается наR_Н без потерь иU_ВЫХ=50В. С этой частоты начинается область средних частот.

Эквивалентная схема для средних частот (рис.9), как следует из приведенных выше рассуждений, не содержит конденсатора С_Ри паразитных емкостей, так как все еще выполняется условиеX_СПR_Н.

В эквивалентной схеме рис.9а сопротивления R_АиR_Нможно заменить эквивалентным сопротивлениеми получить новую эквивалентную схему (рис.9б). ПриR_НR_АсопротивлениеR_Э=R_А.

Легко видеть, что АЧХ на средних частотах не зависит от частоты, так как эквивалентная схема не содержит реактивных элементов.

Из эквивалентной схемы для средних частот легко получить зависимость динамического коэффициента усиления каскада от сопротивления нагрузки R_Э. Под действием ЭДСU_ВХв цепи эквивалентный генератор -R_i- R_Эпротекает ток. Протекая поR_Э, этот ток создает на нем падение напряжения, равное. Динамический коэффициент усиления. ПриR_НR_А.

График зависимости К_U=f(R_Э) приведен на рис.10, Из рисунка видно, что динамический коэффициент усиления К_Uпри увеличенииR_Эстремится к статическому коэффициенту усиления.

При дальнейшем увеличении частоты сопротивление паразитных емкостей уменьшается и становится соизмеримым сR_АиR_Н. Поэтому эквивалентная схема для верхних частот содержит дополнительно паразитную емкость С_П=С_АК+С_М+С_Н(рис.11). В области верхних частот при увеличении частоты влияние (шунтирующее действие) С_Пувеличивается и сопротивление нагрузки, равное, уменьшается. Из рис.10следует, что динамический коэффициент усиления каскада иU_ВЫХпри этом уменьшаются. Таким образом, АЧХ реостатного каскада горизонтальна на средних частотах и имеет завалы на нижних и верхних частотах (рис.3б). Граничные частоты реостатного усилителя на уровне -3дБ равны:, где_Н=С_РR_Н, . Из эквивалентной схемы рис.11, следует, что для увеличения верхней границы полосы пропускания необходимо уменьшать величинуR_Э, т.е.R_А.