Двухтактный транзисторный усилитель.

 

Паразитную ЭДС очень трудно контролировать. Чтобы лучше представлять ситуацию, необходимо понимать устройство обычного двухтактного транзисторного усилителя.

 

Для обеспечения хороших технических характеристик, большинство двухтактных усилителей изготовливают по топологии операционного усилителя: высокий коэффициент усиления и глубокая обратная связь. Целью такой схемы является уменьшение искажений и увеличение коэффициента демпфирования усилителя.

 

В принципе, эта концепция очень проста в настройке и, на первый взгляд, очень логична. При использовании нескольких каскадов усиления, входной сигнал сначала усиливается больше, чем это необходимо. Затем сигнал уменьшается до требуемого значения при помощи глубокой обратной связи. Обратная связь постоянно сравнивает усиленный выходной сигнал усилителя с входным сигналом, и при отклонениях производит корректировку. Искажения уменьшаются, а демпфирование увеличивается. Такие усилители отличаются очень хорошими техническими характеристиками. "Покупатели свято верят характеристикам в спецификациях, и очень удивляются, когда у них дома эти характеристики не работают", - продолжает Матиас Руфь. Топология операционного усилителя работает на бумаге. На практике же это приводит к дополнительным искажениям.

 

Чтобы понять, что происходит, необходимо рассмотреть схему усилителя. Для получения высокого коэффициента усиления сигнала, в операционных усилителях используется несколько последовательных каскадов усиления. Самые современные высококачественные усилители используют до 7 каскадов. Вдобавок, входному сигналу надо пройти не только последовательные каскады усиления, но и несколько параллельных силовых транзисторов, которымы оснащены большинство усилитетелей для достижения большего выходного тока. В некоторых устройствах используют до 20 параллельно подключенных силовых транзисторов.

 

У такой идеологии есть два отрицательных момента. Во-первых, любой транзистор - даже самой последней модели - будет искажать. Чем больше каскадов, тем больше искажений. А эти искажения не только плюсуются, но еще и умножаются. Это происходит потому, что в каждом каскаде усиливаются искажения предыдущего каскада, и на них накладываются созданные в этом каскаде новые искажения.

 

Вторая проблема относится к скорости, с которой обратная связь исправляет проблему на выходе. Чем больше каскадов имеет усилитель, тем медленнее распространяется в нем сигнал и тем больше отличается информация на входе и на выходе.

 

В лабораторных условиях искажения, возникающие при усилении усиления сигнала, могут быть устранены глубокой обратной связью. Но эта компенсация осуществляется с запаздыванием. Коррекция происходит с задержкой, то есть тогда, когда искажения уже исчезли. Таким образом, обратная связь создает новые искажения, которые опять усиливаются и опять исправляются обратной связью и т.д. и т. д.

 

Эта проблема становится намного серьезней при подключенных колонках, представляющих собой нерезистивную нагрузку. При работе динамиков за счет паразитной ЭДС на усилитель наводятся помехи. Обратная связь обнаруживает эти помехи и пытается компенсировать их. Так как уровень этих помех - в зависимости от частоты и уровня сигнала - меняется, обратная связь постоянно с задержкой вырабатывает сигнал компенсации.

 

Опытный слушатель достаточно легко различит сравнительно безобидные искажения, созданные усилителем, и искажения, вызванные колонками. В большинстве случаев эта проблема проявляется в механистическом, грубом звучании средних частот и в потере разрешения.

 

Двухкаскадное усиление

 

Преимущества этой концепции очевидны. Сигналу надо пройти только через два каскада усиления. Поэтому он очень быстро проходит через усилитель. "Чтобы достичь быстрого прохождения сигнала, нам пришлось сократить схему до минимума. Другого выхода нет. Меньше, в данном случае, означает больше. В каждом каскаде мы минимизировали искажения и увеличили полосу пропускания схемы", - объясняет Матиас Руфь. Полоса воспроизводимых частот в Model 5 превышает 220кГц. Это практически на четыре октавы выше частотной характеристики CD. Даже при использовании дисков SACD и DVD AUDIO нет проблем. Model 5 настолько быстрый, что даже самые высокие частоты вне аудио спектра усиливаются линейно.

 

 

Для получения большого коэффициента усиления обычно используют последовательное включение нескольких каскадов. Определим параметры двухкаскадного усилителя напряжения, принципиальная схема которого изображена на рис. 14.

Рис. 14

Транзисторы и внешние элементы каждого каскада имеют одинаковые параметры.

При использовании цепочки из нескольких каскадов с ОЭ в качестве усилителей напряжения следует выполнять условия согласования для ИНУН, а именно: входное сопротивление последующего каскада должно быть больше выходного сопротивления предыдущего и выходное сопротивление последнего каскада должно быть много меньше сопротивления нагрузки. Только в этом случае от цепочки можно получить максимальное усиление, равное произведению собственных коэффициентов передачи каждого каскада.

Полоса пропускания многокаскадного усилителя определяется произведением АЧХ всех каскадов. Если постоянные времени в области нижних и верхних частот каждого каскада цепочки одинаковы, то полоса пропускания цепочки сужается в (2 ^{1/ n} - 1)^1/2раз, где n - число каскадов цепочки. Если какой-либо из каскадов цепочки имеет самую большую нижнюю граничную частоту, а другой - самую малую верхнюю граничную частоту, то полоса частот цепочки будет определяться именно этими каскадами.

 

 

Термоэлектронные катоды

Термоэлектронный катод должен быть долговечным и обеспечивать устойчивую (стабильную) эмиссию при возможно меньших затратах энергии на накал Поверхность катода не должна разрушаться от ионной бомбардировки. Даже в высоком вакууме имеется некоторое число положительных ионов. Они ускоренно летят к катоду. Чем выше анодное напряжение, тем с большей силой ионы ударяют в катод.

 

Экономичность катода характеризуется его эффективностью. Она показывает, какой ток эмиссии можно получить на 1 Вт мощности накала. У современных катодов в режиме непрерывной работы эффективность может быть от единиц до сотен миллиампер на ватт.

 

Рабочая температура у разных катодов примерно от 700 до 2300 °С. Долговечность катода определяется сроком, по истечении которого выход электронов уменьшается на 10 %. Катоды имеют долговечность от сотен до десятков тысяч часов.

 

При увеличении рабочей температуры повышается эффективность, и поэтому для усиления эмиссии иногда несколько повышают накал, но при этом сокращается долговечность.

 

Простые катоды, т. е. катоды из чистых металлов, делаются почти исключительно из вольфрама (редко из тантала) и имеют прямой накал. Рабочая температура вольфрамовых катодов 2100-2300 °С, что соответствует накалу до светло-желтого или белого цвета. Долговечность этих катодов определяется ослаблением эмиссии из-за уменьшения толщины катода вследствие распыления вольфрама.

 

Достоинство вольфрамового катода - устойчивость эмиссии. После временного перекала она не уменьшается. Стойкость вольфрамового катода к ионной бомбардировке делает его особенно пригодным для мощных ламп, работающих с высокими анодными напряжениями. Катоды из вольфрама применяются также в специальных электрометрических лампах, в которых важна стабильность эмиссии. Основной недостаток вольфрамового катода - низкая эффективность (единицы миллиампер на ватт). Вследствие высокой температуры интенсивно испускаются тепловые и световые лучи, на что бесполезно расходуется почти вся мощность накала.

 

У многих типов сложных катодов на поверхность чистого металла наносится активирующий слой, который обеспечивает интенсивную эмиссию при сравнительно невысоких температурах.

 

Достоинство сложных катодов - экономичность. Они обладают эффективностью до десятков и даже сотен миллиампер на ватт. Рабочая температура у некоторых катодов составляет 700 °C. Долговечность достигает тысяч и десятков тысяч часов. К концу этого срока снижается выход электронов из-за уменьшения количества активирующих примесей (например, за счет их испарения). Некоторые сложные катоды обеспечивают сверхвысокую эмиссию в импульсном режиме, т. е. в течение коротких (единицы микросекунд) промежутков времени, разделенных значительно более длительными паузами.

 

Основной недостаток сложных катодов - невысокая устойчивость эмиссии. Выход электронов снижается от временного перекала, что объясняется испарением активирующих веществ при повышенной температуре. Кроме того, сложные катоды разрушаются от ионной бомбардировки, поэтому в лампах важно поддерживать высокий вакуум. Это достигается применением специального газопоглотителя (геттера).

 

Сложные катоды могут быть пленочными или полупроводниковыми. К первым относится, например, торированный карбидированный катод. Он представляет собой вольфрамовую проволочку с пленкой тория и с примесью углерода. Активный слой этих катодов трудно разрушить ионной бомбардировкой. Их применяют при анодных напряжениях до 15 кВ.

 

К полупроводниковым относится оксидный катод. В нем на основание из никеля или вольфрама наносится смесь оксидов щелочноземельных металлов - бария, кальция и стронция. У оксидного катода электронная эмиссия происходит главным образом из атомов бария. Перекал катода усиливает испарение бария и снижает выход электронов. Долговечность оксидного катода определяется тем, что оксидный слой постепенно обедняется атомами бария. Для хорошей работы оксидного катода очень важен высокий вакуум, так как оксидный слой разрушается от ионной бомбардировки. Во избежание чрезмерной ионной бомбардировки нельзя допускать слишком высокое анодное напряжение при работе катода в непрерывном режиме.

 

Для оксидного катода опасен не только перекал, но и недокал, при котором могут возникнуть очаги перегрева. Катод прямого накала при этом нередко "перегорает", т. е. вблизи одного из очагов перегрева основной металл катода плавится. Это явление объясняется следующими особенностями:

У оксидного слоя, как и у всех полупроводников, при повышении температуры сопротивление уменьшается.

Вследствие большого сопротивления оксидного слоя его нагрев катодным током соизмерим с нагревом от тока накала.

Различные участки оксидного слоя неодинаковы по сопротивлению и эмиссионной способности. Катодный ток распределяется так, что на участки с меньшим сопротивлением и большей эмиссионной способностью идут большие токи. На этих участках нагрев усиливается, уменьшается сопротивление, увеличивается выход электронов и происходит дальнейшее возрастание тока. Такое явление наблюдается при недокале, если катодный ток велик. Возникновению очагов перегрева также способствует ионная бомбардировка катода.

 

При нормальном режиме накала и без перегрузки катодным током оксидный катод обладает большой долговечностью. Его широко используют в приемно-усилительных и генераторных лампах малой и средней мощности, в электронно-лучевых трубках, в лампах для импульсной работы и многих других приборах.

 

В импульсном режиме эмиссия оксидного катода может быть во много раз сильнее, нежели в режиме непрерывной работы. Она происходит под действием сильного внешнего электрического поля, т. е. представляет собой сочетание электростатической эмиссии с термоэлектронной. Однако с течением времени такая эмиссия быстро ослабевает (рис. 1). Говорят, не совсем удачно, что сверхвысокая эмиссия «отравляет»1 оксидный катод. «Отравление» прекращается, если катод «отдохнет». Тогда он восстанавливает свою эмиссионную способность и может снова дать на короткое время большой выход электронов. Это объясняется тем, что в оксидном слое должно накопиться достаточное число электронов. Длительность импульсов эмиссионного тока обычно не более 20 мкс.

Оксидный катод в импульсном режиме имеет эффективность до 104 мА/Вт. Импульсы катодного тока могут достигать единиц и даже десятков ампер. При коротких импульсах катод почти не подвергается ионной бомбардировке, и поэтому допустимо анодное напряжение 10-20 кВ.

 

Помимо оксидных катодов в последнее время применяются сложные катоды новых типов: ториево-оксидные, синтерированные (губчатые) и др.

 

Катоды прямого накала представляют собой проволоку или ленту. Достоинство таких катодов - простота устройства и возможность их изготовления для самых маломощных ламп на ток накала 10 мА и меньше.

 

Катод в виде тонкой проволоки после включения накала быстро разогревается (за время менее 1 с), что весьма удобно. Недостаток этих катодов - паразитные пульсации анодного тока при питании цепи накала переменным током. Если, например, ток накала имеет частоту 50 Гц, то в анодном токе будут пульсации с частотой 50, 100, 150 Гц и т. д. Они создают помехи, искажая и заглушая полезный сигнал. При слуховом приеме эти пульсации проявляют себя характерным гудением - фоном переменного тока. Имеются две основные причины этого фона.

 

Во-первых, у тонких катодов возникают пульсации температуры, так как масса и теплоемкость этих катодов малы. Когда ток достигает амплитудного значения, температура наивысшая, а при переходе тока через нуль температура наиболее низкая (рис. 1). Частота пульсаций температуры равна удвоенной частоте тока накала. С такой же частотой пульсирует эмиссия и анодный ток.

 

Рис. 1 - Пульсации температуры катода прямого накала при питании переменным током

 

Вторая причина фона переменного тока - неэквипотенциальность поверхности катода. Разные точки поверхности катода прямого накала имеют разные потенциалы, и анодное напряжение для этих точек различно. Поэтому при питании катода переменным током анодное напряжение пульсирует с частотой тока накала.

 

Недостаток ламп с тонкими катодами прямого накала - так называемый микрофонный эффект. Он состоит в том, что внешние толчки вызывают вибрацию катода. Это приводит к пульсациям анодного тока. За счет микрофонного эффекта нередко возникает акустическая генерация. В этом случае звуковые волны от громкоговорителя вызывают механические колебания лампы и соответственно колебания анодного тока, которые после усиления попадают в громкоговоритель. Возникшие звуковые волны снова воздействуют на лампу. Происходит генерация незатухающих звуковых колебаний, заглушающих полезный сигнал.

 

Широко применяются катоды косвенного накала (подогревные). Обычно такой катод представляет собой никелевый цилиндрик с оксидным поверхностным слоем. Внутрь вставлен вольфрамовый подогреватель (рис. 2). Для изоляции от катода подогреватель покрывается керамической массой из оксида алюминия - алундом.

 

a)

б)

 

Рис. 2 - Катоды косвенного накала:

а) - цилиндрический;

б) - дисковый.

 

Главное достоинство этих катодов - отсутствие вредных пульсаций анодного тока при питании цепи накала переменным током. Колебаний температуры практически нет, так как масса, а следовательно, и теплоемкость у подогревных катодов значительно больше, нежели у катодов прямого накала. Катод косвенного накала обладает большой тепловой инерцией. От момента включения (выключения) тока накала до полного разогрева (остывания) катода нужны десятки секунд. За четверть периода (0,005 с при частоте 50 Гц) температура катода не успевает заметно измениться и эмиссия не пульсирует.

 

Поверхность катода косвенного накала является эквипотенциальной. Вдоль катода нет падения напряжения от тока накала. Анодное напряжение для всех точек поверхности катода одно и то же и не пульсирует при колебаниях напряжения накала.

 

Достоинство ламп с катодами кос ценного накала, кроме того, - ослабление микрофонного эффекта. Масса катода сравнительно велика, и его трудно привести в состояние колебаний.

 

По сравнению с катодами прямого накала катоды косвенного накала сложнее, и их трудно сконструировать на очень малые токи. Поэтому они менее пригодны для маломощных экономичных ламп, рассчитанных на питание от батарей.

 

В аппаратуре (например, для двусторонней связи), которая работает с перерывами и после очередного включения должна сразу же действовать, приходится лампы с катодами косвенного накала держать все время под накалом. Это приводит к лишним затратам энергии и сокращению срока службы ламп. В переносных радиостанциях с батарейным питанием применение ламп с катодом косвенного накала неудобно. Для экономии энергии источников питания в этом случае надо выключать накал ламп приемника при работе передатчика и наоборот. Но тогда после включения накала надо ждать 10-20 с, пока не разогреются катоды, что значительно замедляет связь.

 

Накаленная алундовая изоляция между катодом и подогревателем не выдерживает высоких напряжений. Предельное напряжение между катодом и подогревателем составляет обычно 100 В и лишь для некоторых ламп 200-300 В. В ряде схем катод и подогреватель имеют весьма различные потенциалы. Если их разность превысит предельное напряжение, то может произойти пробой изоляции катод - подогреватель и лампа выйдет из строя. Опасность пробоя исчезает, если катод соединен с одним из выводов подогревателя.