Анализ схем с обратной связью по экранной сетке Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА

Том 180 1971

АНАЛИЗ СХЕМ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ ПО ЭКРАННОЙ СЕТКЕ

Л. м. АНАНЬЕВ, Л. Е. БАРАБОШКИН

(Представлена научным семинаром научно-исследовательского института ядерной физики, электроники и автоматики при ТПИ)

В технике усиления электрических сигналов нередко используют дополнительные электроды электронных ламп как для снятия напряжения обратной связи на выходе, так и для ввода ее на вход схемы. При этом цепь обратной связи мало потребляет энергии сигнала, а нелинейная зависимость анодного тока от напряжений на отдельных электродах может быть использована для эффективной компенсации нелинейных искажений по отдельным гармоникам. В методической и технической литературе недостаточно уделяется внимания анализу и расчету такого рода обратных связей. В частности, отрицательная обратная связь по экранной сетке широко используется в оконечных ступенях современной звуковоспроизводящей аппаратуры. Это так называемый «ультралинейный каскад» (рис. 1), у лампы которого параметры имеют промежуточное значение, а вольтамперные характеристики — промежуточную конфигурацию между пентодным режимом и триодным [1, 4, 2].

При этом нелинейные искажения могут иметь значения меньшие, чем в триодном режиме.

Другим примером схем с обратной связью по экранной сетке, из-за которой лампа изменяет свойства, могут служить катодные повторители, у которых переменный потенциал экранной сетки имеет промежуточную величину между катодным потенциалом и анодным (земляным).

Управление анодным током за счет экранной сетки используется также в генераторах по схеме Шембеля, в фантастронных, транзитрон-ных генераторах и в других схемах.

Хорошо разработанная теория обратной связи для линейных цепей не может в некоторых случаях давать удовлетворительное объяснение явлениям или рекомендовать методику расчета для упомянутых схем.

В данной статье на примере ультралинейной ступени дается анализ ламповых схем, в которых из-за больших сигналов обратную связь по экранной сетке следует считать нелинейной. На основе такого анализа нетрудно будет рассчитывать подобные схемы. 28

ЕеТ)

Рис. 1. Однотактная схема ультралинейного каскада

При проектировании оконечного каскада УНЧ, как правило, необходимо:

1) выбрать исходный режим лампы,

2) подсчитать колебательную мощность, отдаваемую лампой,

3) определить коэффициент нелинейных искажений,

4) рассчитать частотную характеристику,

5) рассчитать электрические параметры выходного трансформатора.

Чтобы определить первые три показателя, необходимо располагать

семейством характеристик лампы. Для ультралинейного режима таковых в литературе нет.

Последние два требования можно выполнить, проанализировав эквивалентную схему на всех звуковых частотах и эквивалентное внутреннее сопротивление лампы, которые также будут промежуточными между триодными и пентодными.

Для одноламповых схем, охваченных внешней обратной связью, иногда строят эквивалентные анодные характеристики и по ним ведут расчет [3]. При этом необходимо располагать анодными характеристиками лампы и коэффициентом обратной связи р. Применительно к схемам рис. 1 коэффициент обратной связи по напряжению, пересчитанный в первую сетку;

р = Лл». =__= . (Л + Л) я* = _!_

и вых ^тр а т) ^тр (Л + Л) Яв + Л Я а

пУр{Я 8 + /?а) 1 1

Л + Да) + 0 -]//>)(Я. + Яэ) 1*тр 1+1(_1=_1

п \Ур

1 _1_

'1+'1-^И'

(1)

J + J

где п = ———-— коэффициент, учитывающий токораспределение

У,

в лампе;

А=-----—вспомогательный коэффициент [2];

р-тр ^э

/ К7 \2

р— -!—— коэффициент включения экранной сетки [1];

V ^Э 4" И^а /

1ЮЭ\ — число витков между средними и крайними выводами первичной обмотки выходного трансформатора (рис. 1);

иэт\ иш — амплитуда напряжения соответственно на витках хюэ и ша (рис. 1);

исв = --напряжение обратной связи, пересчитанное из эк-

^тр

ранной сетки в управляющую; £/вых = иэт + игт — выходное напряжение в анодной цепи.

Ур =-^-г- = . (2)

^э + и)а /?а + Яэ

Здесь /?э — эквивалентное сопротивление на средних частотах, состоящее из пересчитанных сопротивлений из вторичной и всей первичной обмоток в триодную часть схемы (рис. 4). т. е. является нагрузкой для триодного включения лампы; /?а — сопротивление, пересчитанное к обмотке из остальных частей трансформатора.

Сопротивление взаимной индукции при этом учитывается так, как об этом говорится в конце статьи.

Значения ц,.« и а для 20 распространенных отечественных ламп приводятся в [2] на стр. 300. Экспериментально определено оптимальное значение р с точки зрения минимальных нелинейных искажений для 6П14П и 6ПЗС : Р = 0,185 для ламп 6П1П и 6П6С : Р = 0,05

К 1. 2].

При построении каждой точки эквивалентной характеристики желательно отыскивать каждый раз графически на триодных характеристиках лампы, а в качестве исходных характеристик следует использовать пентодные. Тем самым учитывается нелинейность отрицательной обратной связи. Серьезный недостаток метода состоит в том, чго не учитывается часть выходной мощности, появляющейся из-за прохождения сигнала через цепь обратной связи.

Другой путь графо-анали-тического расчета, на наш взгляд, более простой и точный, состоит в следующем. Наносят динамические линии переменного тока на триодные и на пентодные характеристики одновременно, как показано на рис. 2 и 3. Исходные рабочие точки выбираются в зависимости от заданного источника анодного питания и типа режима—а или ав для двухтактной схемы. Наклон линий нагрузок на триодных и пентодных характеристиках определяется величиной общей нагрузки и коэффициентом включения р, который выражается формулой—(2).

Таким образом, результирующее действие схемы рис. 1 предлагается рассматривать как совместную работу двух последовательно включенных ламп триода рис. 4 и пентода, охваченного обратной связью рис. 5. Причем амплитуда эквивалентного переменного напряжения,, приложенного к управляющей сетке в пентоде, найдется, как

Н —II г (о\

^ вхсс Г - , ^о;

!ЧР

где ист — амплитуда подводимого к управляющей сетке сигнала.

иЭ!П — амплитуда напряжения на экранной сетке, т. е. на нагрузке рис. 4.

Разумеется, ист и ¿Уэ^противофазны. Изменением потенциала анода относительно экранного потенциала (реакцией анода на цепь экранной сетки) в схеме рис. 4 для рабочей части пентодных характеристик можно пренебречь и считать, что анод и экранная сетка закорочены.

лампы в триодном включении

Это предположение допустимо, так как из курса электровакуумных приборов известно, что влияние анодного потенциала в экранных лампах на величину анодного тока пренебрежительно мало по сравнению с действием потенциала на экранной сетке. Правомерность такого приема специально проверялась опытным путем.

С/сг*-/€\т

иа

// т

Рис. 3. Анодные характеристики лампы в пентодном включении

Опишем колебательный режим.

В положительную амплитуду сигнала экранное напряжение уменьшается на иэт (рис. 2). Это вызовет „сжатие" по вертикали пентод-ных_характеристик\ Рабочая точка на рис. 3 переместится вверх по

1

^ Цст 1_

А 1

и \ , да 1 |

У 1 ^ ' и, щ 1

с

ст

Рис. 4. Триодная часть схемы рис. 1- Рис. 5. Пентодная часть схемы рис. 1

прямой до статической характеристики ¿УС] при пониженном экран ном напряжении, что равносильно при неизменном напряжении иэ--Е^ эквивалентной характеристике с напряжением на первой сетке

иС[ — —— и'эт . В отрицательную полуволну сигнала на входе пен-

тодные характеристики „расширятся", и рабочая точка дойдет до эк-

1

вивалентмой кривой /УСз + — — и9т - В этих выражениях ^тр1 и р-Тр2

1 о

определяют графическим путем соответственно в точке 1 и в точке / на рис. 2. В том случае, когда семейство статических пентодных ха-

31

рактеристик в справочнике не соответствует выбранной величине источника питания, каждую из характеристик следует сместить по вер-

Д^Э л,- - С

тикали на величину-где Д£/э —разница между выоранным £а

и указанным на семействе экранным напряжением иэ; цтр для каждой перестраиваемой точки определяют графически на семействе три-одных характеристик.

Результирующие колебательная мощность всего каскада и нелинейные искажения по отдельным гармоникам найдутся алгебраическим суммированием этих величин, определенных на двух графиках отдельно.

+ (За)

Тз — 7зР + (Зв)

ъ = Т? + 7?, (36)

1 = УП+11- (Зг)

Здесь индекс „тр" — соответствует триодному графику рис. 2; индекс „п" — пентодному—рис. 3; 1з и ? —коэффициенты нелинейных искажений по второй, третьей гармоникам и общий, определяемые методом пяти координат;

колебательная мощность.

На пентодных характеристиках рис. 3 отчетливо видно ослабление влияния нелинейной зависимости анодного тока от сеточного напряжения из-за сгущения кривых — снизу и в области линии критического режима — сверху. Эти нелинейности в не охваченных противосвязью пентодах вызывают рост 3-й гармоники с увеличением анодной нагрузки. В отличие от действия линейной отрицательной обратной связи в данном случае, помимо полезного искажения формы напряжения 1/св , изменяется одновременно и коэффициент обратной связи р, который зависит от \хтр и «п». Действительно, из формулы (1),

Р = ---;—I/ - 1 > (1а>

р-тр . 1 — у р ._1_ Ур п

следует, что в нижней области пентодных характеристик, где велика нелинейность, цтр уменьшается (триодные характеристики рис. 2 сгущаются внизу из-за островкового эффекта), а коэффициент р и глубина обратной связи возрастают. В верхней части при появлении нелинейности из-за токораспределения у пентода глубина обратной связи тоже увеличивается, поскольку в формуле (1а) знаменатель второго

сомножителя уменьшается быстрее (из-за возрастания п = ^

л

чем увеличивается знаменатель первого сомножителя, и коэффициент обратной связи р возрастает.

Так уменьшаются нелинейные искажения по нечетным гармоникам. Искажения по второй гармонике удается в данной схеме снизить в меньшей степени, так как неохваченная обратной связью триодная часть схемы при малой анодной нагрузке является довольно интенсивным генератором четных гармоник.

Компенсацию последних осуществляют путем применения двухтактных схем и правильным выбором сопротивления анодной нагрузки для пентодной части схемы У? а.

Как известно из курса усилителей, с увеличением нагрузки пентода фаза второй гармоники изменяется на протизоположную (когда 32

линия нагрузки оказывается ниже верхнего „колена статической характеристики ис =00). Поэтому при соответствующей величине можно получить в формуле (36) для расчета нелинейности по второй гармонике слагаемые чт2р и чЧ разных знаков. Рассчитав по графикам несколько вариантов при различных нагрузках £?а и Яэ нелинейные искажения и колебательную мощность, можно выбрать так называемый „ультралинейный" режим данной лампы.

Эквивалентная схема ультрали-нейного каскада представлена на рис. 6.

Обозначения: — эквивалентное сопротивление в анодной цепи триод-ной части схемы рис. 4 для всех частот в полосе пропускания,

2а — эквивалентное сопротивление в анодной цепи пентодной части схемы рис. 5.

Двухполюсники и содержат активную нагрузку и реактивные элементы, приведенные соответственно к обмоткам чю' и

а

и — внутренние сопротивления лампы в пентодном и три одном режимах,

Рис. 6. Эквивалентная схема ультралинейного каскада

¡ап — статический коэффициент усиления пентода,

_ // (Л + Л)£э

— С/ НУ "—~~——- -

и.

^тр

(7)

эквивалентное входное напряжение в пентодной части схемы. Помимо расчета частотной характеристики и параметров выходного трансформатора, часто требуется знать выражение для коэффициента усиления (например, при определении входной динамической емкости оконечной ступени), выходное сопротивление. Эти формулы нетрудно вывести из эквивалентной схемы.

Методом контурных токов определяем:

ИтР ивх= (Л + Л) (Я/гр + 2Э).

Из соотношений (7) и (8) анодный ток

Л = ^п ¿Л

1Тр

п "Ь^а

Анодный и экранный токи в сумме:

Я/тр £:

(8)

(9)

Л + Л = и

вх

гтр ~Ь ^г

Выходное напряжение после преобразований

¿-Лшх == ^а ^а (Л Н" Л) ^э =

= ЦП и

Я

1тр

ж Я/тр ^

^тр

Я/тр + 2. г

3. Заказ 7324.

(10)

(П)

33

И, наконец, преобразуя выражение (11), окончательно получаем коэффициент усиления каскада.

5тр г1ъ + 5П г и--, (12)

^вх

1 +

я

гтр

где

* у __/^¿п

_ ^э *мтр 7 _

/-! [ з —--, ^¿а —

Л/тр 2э ^п

5тр — крутизна лампы в триодном режиме, — крутизна лампы в пентодном включении. Величина — является коэффициентом прямой передачи

сигнала по цепи обратной связи со входа усилителя на выход, т. е. в данном случае цепь обратной связи является четырехполюсником, активным в прямом и пассивным в обратном направлениях. Величина — коэффициент передачи пентодной части схемы с нагрузкой ¿а и постоянным экранным напряжением. Глубина отрицательной обратной связи в данном случае равна

А = 1+ —. (13)

Коэффициент обратной связи р =

а- 1

5П 2га ^гтр • 5П • Л (а [Чр .

11 11

? 7

^тр А / + ¿э _ Л |Атр 1/1

п\ ! п \Ур

что соответствует формуле (1), если в ней считать

р

иэт 1

Приведенный анализ не учитывал в каждом из двух схем ЭДС взаимной индукции. Если принять во внимание указанное обстоятельство, то в каждой части эквивалентной схемы рис. 6 требуется включить последовательно с нагрузкой по генератору ЭДС: для три-одной части Л-2СВ, для пентодной (Л + Л )'-2св.

Значения токов в такой усложненной схеме имеют вид

Л = иа--1---, (14)

№п+2а)(/?/1р + 29)

Г), _ 7 7 Нп

Т 1ТО ^св

1Тр ^св ^св

(Л + Л = --~-7-(15)

(Лтр -ь г9) + —• (. я/тр - 2СВ)

£ а \

Здесь ¿с — сопротивление взаимной индукции.

Формулы (14) и (15) превращаются в (9) и (10), если положить в них ZZъ =-- 0. Внесение зависимых генераторов в цепи из-за действия магнитной связи равносильно увеличению активного сопротнв-34

ления. Подсчитаем эквивалентные нагрузки Zа и Zэ, которые должны стоять соответственно вместо 2а и 1Ъ на рис. 6. Выходные напряжения

и* = (Уа + + л-^св = (Л + ЛУ- (г9 + —у-гсв). (16)

п

где

Za + (Л + ЛГ -Z Уя

п

= /.(Za + »'ZCB), (17)

, (Л + Л)'

л

Таким образом, коэффициенты при токах в формулах (16) и (17) представляют собой эквивалентные сопротивления

= Zэ -[ -п

¿а — fl ZCB.

(18)

На средних частотам сопротивления Z3 и Za в схеме носят активный характер и при графическом расчете определяются по наклону линии нагрузки.

Для расчета коэффициентов трансформации необходимо знать пересчитанные сопротивления Z3 и Za, которые тоже принимают активными.

Из уравнений (18), принимая во внимание, что ZCB = J/Za-Z3, находим соотношение

= • (19)

Za г^а Z3

А затем нетрудно определить отдельно Za и Z9. Величина коэф-мициента п' находится из выражений (14), (15) или (9) и (10) без фагнитной связи.

п 17

п> =----. (20)

Iх" р. 7

Ртр

я = JÎIL . + Za = , (20а)

1АП Я/'тр 5ПД

при ZCB = 0.

5

где 5ПД =-^--динамическая крутизна в пентодном режиме.

Расчет основных величин к) по рассмотренной методике

и экспериментальная проверка .для типовой однотактной ультралинейной схемы на лампе 6П14П показали расхождения в 16%.

ЛИТЕРАТУРА

1. В. К. Л а б у т и н. Новое в технике высококачественного усиления. Госэнерго-издат, 1957.

2. Г. С. Цыкин. Электронные усилители. Связьиздат, 1960.

3. Г. В. В о й ш в и л л о. Усилители низкой частоты на электронных лампах. Связьиздат, 1963.

4. В. К. Л а б у т и н. Ультралинейные усилители. «Радио», № 11, 1958.