3. Реостатный усилительный каскад с общим катодом

Реостатным усилителем (RC усилителем) 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 характеристика I_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 а нодного тока находится в фазе с переменным напряжением на сетке лампы и равна I_А=S_dU_ВХ. Здесь S_d – крутизна проходной (анодно - сеточной) характеристики лампы. При усилении колебаний средних частот сопротивление анодной нагрузки лампы приблизительно равно R_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 как U_А=Е_П-I_АR_А, то напряжение U_А падает. 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. Б олее 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_П включается сопротивление R_К, называемое сопротивлением смещения, или катодным сопротивлением. Постоянная составляющая анодного тока I_А создает на сопротивлении R_К падение 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, если R_К=500Ом и I_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_ВЫХ пропорционально 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.7 показана эквивалентная схема для всех частот для переменных токов и напряжений усилителя, изображенного на рис.4а. На этой схеме радиолампа заменена эквивал ентным генератором с ЭДС U_ВХ и внутренним сопротивлением R_i. Здесь  - статический коэффициент усиления лампы, а R_i – ее внутреннее сопротивление (указываются в справочнике). Сопротивление нагрузки R_А одним выводом соединено с анодом, а другим – с катодом через большую емкость С_ИП, подключенную параллельно источнику питания Е_П. Параллельно R_А включена выходная паразитная емкость лампы анод – катод С_АК. Выходное напряжение с R_А через разделительную емкость С_Р подается на сопротивление нагрузки R_Н. Если к выходу первого каскада подключен второй каскад усиления, то R_Н есть сопротивление утечки сетки этого каскада. Кроме того, параллельно R_Н включена емкость С_Н. Если есть второй каскад, то это - входная емкость этого каскада. Емкость монтажа С_М (она является распределенной) также подключается параллельно R_Н. Емкости С_АК, С_М и С_Н являются паразитными. Для понимания процессов, происходящих в схеме, необходимо знать порядки величин сопротивлений и емкостей усилителя. Обычно R_i равняется нескольким десяткам кОм, R_А - нескольким десяткам или сотням кОм, R_Н должно быть того же порядка величины, что и R_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.

Н а нижних частотах сопротивления паразитных емкостей X_СПR_А и X_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. Пусть R_А=R_i и R_НR_А. Тогда на сопротивлении R_А выделится напряжение U₁₁=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. При f=0 X_СР= и U_ВЫХ=0. При этом все напряжение U₁₁, равное 50В, падает на конденсаторе С_Р. При увеличении частоты сопротивление X_СР уменьшается, увеличивается и U_ВЫХ также увеличивается. При какой-то частоте X_СР становится равным R_Н. Тогда =0,5 и U_ВЫХ=25В. При этом половина напряжения U₁₁=50В падает на X_СР и половина поступает на выход (U_ВЫХ=U₂₂=25В). При дальнейшем увеличении частоты потеря напряжения на конденсаторе С_Р уменьшается, а U_ВЫХ растет. На какой-то частоте падение напряжения на С_Р становится ничтожно малым и все напряжение с R_А передается на R_Н без потерь и U_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_Р и паразитных емкостей, так как все еще выполняется условие X_СПR_Н.

В эквивалентной схеме рис.9а сопротивления R_А и R_Н можно заменить эквивалентным сопротивлением и получить новую эквивалентную схему (рис.9б). При R_НR_А сопротивление R_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_ВХ в цепи эквивалентный генератор - R_i- R_Э протекает ток . Протекая по R_Э, этот ток создает на нем падение напряжения, равное . Динамический коэффициент усиления . При R_НR_А .

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

П ри дальнейшем увеличении частоты сопротивление паразитных емкостей уменьшается и становится соизмеримым с R_А и R_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_П увеличивается и сопротивление нагрузки, равное , уменьшается. Из рис.10 следует, что динамический коэффициент усиления каскада и U_ВЫХ при 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 величину R_Э, т.е. R_А.