Катодный повторитель

Иногда необходим буферный каскад, который обеспечивает высокое входное и низкое выходное сопротивление. Катодный повторитель имеет коэффициент усиления по напряжению немного меньше единицы (1) и значительный коэффициент усиления по току. У него низкое выходное сопротивление, обычно < 1 кОм, высокое входное сопротивление (например, ≈ 500 МОм в ламповых микрофонных усилителях). Кроме того, в отличие от усилительного каскада по схеме с общим катодом (рассмотренный ранее резисторный усилитель), где выходное напряжение противофазно входному, катодный повторитель не инвертирует, то есть закон изменения выходного напряжения повторяет закон изменения входного с точностью до фазы. Отсюда и название «повторитель», тогда как, усилительный каскад по схеме с общим катодом довольно часто называют «инвертором».

Начнем рассмотрение катодных повторителей с простейшей схемы с фиксированным смещением, приведенной на рис. 3.21. Глядя на эту схему, нетрудно заметить, что здесь изменилось положение нагрузочного резистора (он теперь установлен не в анодную цепь, а в катодную), таким образом, чтобы выходной сигнал снимался между катодом и общим проводом. Однако, работа такого каскада может быть рассмотрена таким же образом как и ранее, используя нагрузочные линии (рис. 3.22).

Итак, пусть нагрузочное сопротивление выбрано равным RH = 100 кОм. На рис. 3.22 вычерчена соответствующую этому сопротивлению нагрузочная линия. Выберем величину сеточного напряжения смещения Vc = —2,5 В, а также величину постоянного напряжения между катодом и анодом лампы Va = — 81 В, получая максимальную линейность в области рабочей точки. В этом случае катод относительно общего провода находится под напряжением Vк, определяемым разностью между напряжением источника питания ВН (285 В) и напряжением между анодом и катодом Va:VK = 285 В — 81 В = 204 В. В этом случае, для того, чтобы обеспечить между сеткой и катодом необходимое напряжение смещения VCK = —2,5 В, к сетке должно быть приложено напряжение от внешнего источника смещения равное 201,5 В. Это напряжение обеспечивается делителем напряжения R1, R2 за счет общего источника питания ВН.

Обратим внимание, что катодная цепь, включая нагрузочный резистор, является общей как для пути протекания входного (сеточного) тока, так и выходного (анодного). Более того, от величины выходного (анодного) тока зависит напряжение, падающее на катодном резисторе, а значит и напряжение VCK между сеткой и катодом (поскольку потенциал сетки относительно анода однозначно определяется резистивным делителем). Потенциал же катода относительно земли тем выше, чем больше анодный ток. Рост потенциала катода приводит к запиранию лампы и уменьшению коэффициента усиления, аналогично случаю катодного автосмещения в резисторном каскаде с общим, рассмотренному выше. Таким образом, мы снова имеем дело с отрицательной обратной связью по току. Однако, если в резисторном каскаде с общим катодом (путем шунтирования катодного резистора блокировочным конденсатором ) мы разрывали обратную связь по переменному току, оставляя ее лишь по постоянному, то в случае катодного повторителя, на катодном резисторе падает полезное выходное напряжение, закорачивать которое емкостью ни в коем случае недопустимо. Таким образом, катодный повторитель является усилительным каскадом, охваченном 100% отрицательной обратной связью по току. Также такую схему включения лампы часто называют схемой с общим анодом, который по переменному току соединен с общим проводом через нулевое внутреннее сопротивление источника питания ВН.

Для того, чтобы найти коэффициент усиления каскада с обратной связью, каковым и является катодный повторитель, воспользуемся (как и в предыдущих примерах) обычной методикой оценки коэффициента усиления из нагрузочной линии (без учета обратной связи он получается равным Av = 28,5), и применим уравнение обратной связи:

Поскольку имеется 100% обратная связь, β = 1 и результирующий коэффициент усиления по напряжению в нашем примере становится равным 28,5/29,5 = 0,97.

Мы рассматривали ранее (применительно к резисторному каскаду с общим катодом), что эквивалентное сопротивление катодной цепи по переменному току определялось следующим соотношением:

Здесь под Rн понимается резистор, включаемый между анодом лампы и источником питания ВН. Но для катодного повторителя, Rн между анодом и ВН = 0, таким образом, это уравнение сводится к более простому: rк = 1/gm. Из анодных характеристик лампы можно графически определить, что крутизна gm ~ 5 мА/В — это дает выходное сопротивление равное ≈ 200 Ом. Это не особо точное вычисление, поскольку графический метод определения крутизны gm обладает значительной погрешностью, но это не имеет существенного значения, поскольку обычно в аудио

катодном повторителе, последовательно с его выходом, включают резистор величиной = 1 кОм, чтобы гарантировать устойчивую работу усилителя. Тем не менее, даже результирующее выходное сопротивление (с учетом этого добавочного резистора) равное 1,2 кОм является достаточно низким выходным сопротивлением каскада на электронной лампе.

Рассмотренный каскад, однако, не обладает большим входным сопротивлением, что не очень желательно для усилителей (поскольку затрудняет согласование с большим выходным сопротивлением предыдущего каскада), хотя каскады с низким входным сопротивлением удобны для создания активных фильтров (например, разработанных кампанией Sallen & Key). Для получения в катодном повторителе высокое входное сопротивление, часто применяют схему с автоматическим катодным смещением (рис. 3.23).

Теперь имеется катодное или автоматическое смещение, обеспеченное резистором 1,3 кОм, величина которого вычисляется обычным способом (см. выше). Заметим, что, добавив этот резистор, мы слегка увеличили величину RH, что должно сказаться на работу усилителя, но на практике это увеличение на ≈ 1 % имеет незначительное влияние на режим каскада.

Эта схема несколько проще предыдущей, поскольку делитель напряжения теперь стоит в менее высоковольтной — катодной цепи, а не в цепи источника питания ВН. Также следует отметить, что в этой схеме несколько больше глубина отрицательной обратной связи по току, вызываемой резисторами, установленными в цепи катода.

Рассмотрим режим работы этой схемы. Для предыдущего примера нами уже был вычислен коэффициент усиления по напряжению Av, равный 0,97. Можно подсчитать коэффициент ослабления делителя напряжения, образованного катодным резистором автосмещения и катодным нагрузочным резистором RH. Он составляет —0,987, следовательно, напряжение сигнала обратной связи на нижнем выводе резистора смещения сетки равно 0,96 Vвх. Поскольку выходной сигнал катодного повторителя не инвертирован, то это означает, что между сеткой и катодом имеется только 0,04 Vвх. Переменный ток за счет входного сигнала через резистор сеточного смещения будет, следовательно, только 4% от того, что был бы при непосредственном соединении этого резистора с землей. Это дает входное сопротивление каскада эквивалентное 1 МОм/0,04 = 25 МОм. Математически это выражается из следующего соотношения:

Заметим, что А — это коэффициент усиления катодного повторителя, а не первоначальный коэффициент усиления по нагрузочной линии.

Заметим, что это приблизительная величина, потому что не учитывает существенные паразитные емкости монтажа. Используя пример с лампой Е88СС:

Рассуждения, подобные приведенным выше, можно использовать, чтобы определить эквивалентную входную емкость катодного повторителя:

Нужно добавить несколько пФ на паразитные емкости монтажа, как мы делали прежде, что дает возможное значение входной емкости катодного повторителя примерно равное 4,5 пФ, что намного меньше половины значения емкости каскодной схемы или усилителя на пентоде.

Предположим, что линейности спроектированного катодного повторителя оказалось недостаточно. Вообще говоря, линейность катодный повторитель всегда оказывается выше линейности усилительного каскада по схеме с общим катодом. Связано это с тем, что катодный повторитель охвачен 100%-ой отрицательной обратной связью. Это означает, что любая нелинейность будет уменьшена пропорционально коэффициенту обратной связи (1 + βA0), который в нашем примере дает уменьшение 30:1. Если рабочая точка каскада выбрана правильно, линейность обычно оказывается вполне приемлемой.

Тем не менее, возможно сделать линейность катодного повторителя еще лучше. Ранее мы упоминали, что из всех эквивалентных параметров лампы, внутренний статический коэффициент усиления μ был одним из наиболее устойчивых, тогда как внутреннее статическое сопротивление rа значительно зависит от изменений тока анода. Это является существенным, потому что обычно изменения rа вызывают искажение, связанные с нестабильностью коэффициента усиления в схеме усилительного каскада с общим катодом:

Если сделать сопротивление нагрузки /?н очень большим, в идеале — бесконечным, rа будет по сравнению с ним незначительно и больше не сможет вызывать зависимость коэффициента усиления от величины анодного тока, и. следовательно, — искажения сигнала. При условии, что мы выбрали подходящую рабочую точку, где μ изменяется незначительно, то получим каскад — буфер с очень низкими искажениями. К сожалению, если просто сделать RH очень большим, то получится, что на нем должно падать слишком большое напряжение, и что при этом необходимо иметь источник ВН больше 2 кВ (рис. 3.24)!

Для решения этого противоречия между линейностью и величиной питающего напряжения ВН, применяют катодные повторители с активной нагрузкой и ряд других схем.

Источник: https://tubeamplifier.narod.ru/mess078.htm