|
Классификация способов снижения нелинейных искажений
Существуют много способов уменьшить искажения и сделать их уровень приемлемым. Для упрощения, будем рассматривать искажения,
вызываемые каждым отдельным каскадом, перед обсуждением многокаскадной схемы.
Ниже будут рассмотрены практически все основные способы снижения нелинейных искажений:
• подбор рабочей точки по переменному току;
• подбор рабочей точки по постоянному току;
• уменьшение искажений ограничением определенного параметра;
• уменьшение искажений подавлением определенных составляющих;
• оптимизация схем смещения по постоянному току;
• подбор определенных электронных ламп;
• сопряжение отдельных каскадов со последующими.
Влияние рабочей точки по переменному току
Теоретически триоды генерируют нелинейные продукты преимущественно на 2-й гармонике. Это очень важное преимущество.
Будет показано, что в двухтактных усилителях мощности, четные гармоники практически полностью компенсируются, что
существенно снижает искажения.
Для проверки усилителей на триодах на предмет нелинейных искажений, рассмотрим усилитель с общим катодом, с лампой типа
417/5842 (рис. 4.5).
Рис. 4.5 Схема проверяемого усилителя с общим катодом
Были опробованы двадцать две лампы типа 417/5842 при уровне выходного сигнала + 18 дБ (6,16 В действующего значения),
эти результаты были усреднены и представлены в таблице 4.3:
| Таблица 4.3 |
| Гармоника | Уровень |
| 1-я (основная) | 0 дБ |
| 2-я | -41 ДБ |
| 3-я | -100 дБ |
| 4-я | -95 дБ |
Среди нелинейных продуктов, генерируемых лампами типа 417/5842 явно преобладает 2-я гармоника. Данный типа лампы 417А/5842
является хорошим примером. Даже самый плохой экземпляр электронной лампы данного типа, генерирует искажения на 2-й гармонике,
с уровнем на 20 дБ больше, чем на других высших гармониках. Это весьма полезное обстоятельство позволяет использовать нижеследующую
формулу, для расчета коэффициента нелинейных искажений, пользуясь данными, полученными при построении графика нагрузочных
линий:
В первом приближении, передаточной характеристики триода — это простая степенная функция вида I ≈ V gk3/2
(так называемый «закон трех вторых»). Эта кривая хоть и не является линейной, но и не содержит нелинейностей высших порядков,
а кроме того является достаточно гладкой, что должно обуславливать невысокий уровень нелинейных искажений. Эта гипотеза
была проверена на схеме μ-повторителя с лампой 7N7/D3a(pnc.4.6).
Для того, чтобы эта проверяемая схема не показала ложно хороший результат при появлении сеточного тока, она возбуждается
от источника с сопротивлением 64 кОм, имитируя таким образом копируя реальные условия работы в составе усилителя. Верхний
предел измерений был установлен на момент появления сеточного тока при выходном сигнале +34 дБ (СКГ + Ш = —43 дБ).
Нижний предел измерений был установлен способностью аналогового анализатора фиксировать искажения формы слабого сигнала,
которая начинает ухудшаться при выходном сигнале +14 дБ (СКГ + Ш = —63,5 дБ). Между этими пределами уровень выходного сигнала
изменялся с шагом 1 дБ. Был построен график СКГ + Ш в зависимости от уровня выходного сигнала (рис. 4.7).
График ясно показывает, что значение СКГ + Ш (суммарное значение коэффициента нелинейных искажений плюс шум) прямо пропорционально
уровню выходного сигнала. Таким образом, измеренный уровень искажений 1 % при 15 В действующего значения напряжения предполагает
искажения 0,1 % при 1,5 В действующего значения. Это обстоятельство крайне полезно, если необходимо оценить искажения триода,
при работе со слабыми сигналами — например, как в случае каскада с частотной коррекцией Американской Ассоциации звукозаписи
(RIAA), используемый для согласования усилителя с проигрывателем виниловых грампластинок.
Рис. 4.6 Схема проверки линейности μ-повторителя
Рис. 4.7 График искажений в зависимости от уровня сигнала проверяемой схемы μ-повторителя
Предположение, что искажения каскада усиления на триоде порождают преимущественно 2-ю гармонику и пропорциональны уровню
сигнала, справедливо для всех триодов при использовании с реальными резистивными анодными нагрузками. Влияние активной нагрузки
(RH = > ∞) подавляет 2-ю гармонику, но мало меняет уровень высших гармоники. После подавления
2-й гармоники, влияние высших гармоник становиться более существенным, вызывая у некоторых триодов искажения, которые не
пропорциональны уровню. При использовании активной нагрузки может потребоваться проверка — остаются ли искажения электронной
лампы конкретного типа пропорциональны уровню сигнала.
Влияние рабочей точки по постоянному току
Зависимости уровней искажений от изменений напряжений анодного питания будут исследованы позднее. От величины анодного
высоковольтного напряжения сильно зависят малосигнальные параметры статических характеристик лампы, такие как статический
внутренний коэффициент усиления р, статическое внутренне сопротивление га и крутизна gm, которые
обычно предполагаются неизменяемыми. Таким образом, пока не нужно максимизировать размах напряжения, выбор рабочей точки
целесообразно осуществлять только подбором напряжения смещения по критерию отсутствия сеточного тока и отсечке анодного тока.
Проблемы отсечки очевидны: высококачественный усилитель должен работать без отсечки анодного тока во всем диапазоне изменения
усиливаемого аудиосигнала, то есть в режиме класса. Сеточный ток вызывает намного больше проблем, поскольку может появляться
только при больших амплитудах усиливаемого сигнала, создавая нелинейную нагрузку предыдущему каскаду усиления. Разумеется,
для снижения нелинейных искажений, всегда нужно стремиться к полному отсутствию сеточного тока во всем диапазоне изменения
входного сигнала.
Искажения из-за сеточного тока
Когда напряжение между сеткой и катодом (обычно отрицательное) приближается к 0 В, начинает идти сеточный ток, и входное
сопротивление электронной лампы значительно снижается. Если лампа имеет практически нулевое выходное сопротивление rвых
= 0, проблемы не будет, но в жизни она как правило наоборот, имеет значительное выходное сопротивление. Образующийся делитель
напряжения, моментально сформирует в моменты существования сеточного тока, положительные пики сигнала, и ограничивает входной
сигнал. Симметричная отсечка сверху, порождает рост нечетных гармоник, но поскольку сеточный ток часто отсекается ассиметрично,
поэтому можно ожидать также и рост четных гармоник.
Искажения, вызванные сеточным током, являются очень вредными, потому что они порождают гармоники высокого порядка. Экспериментальные
кривые, представленные на рис. 4.8, были получены при работе с сеточным током нижней рассмотренного выше лампы (μ-повторителя при
сопротивлении источника сигнала 47 кОм. При измерении уровень входного сигнала увеличивался до тех пор, пока искажения формы
выходного сигнала на становились отчетливо заметны на экране аналогового осциллографа. Измеренное значение СКГ + Ш было 2%,
и остаточный сигнал искажения (то есть выходной сигнал, с подавленной первой гармоникой) имел очень характерную форму волны
(рис. 4.8).
Рис. 4.8 Верхняя кривая: характерная форма сигнала искажения, вызванного сеточным током. Нижняя кривая: мягкая отсечка
(уплощение снизу), вызванная сеточным током
На рис. 4.9 представлен спектр остаточного сигнала искажений. Из рисунка четко видно, что он богат, как четными, так
и нечетными гармониками.
Рис. 4.9 Спектр искажений, возникающих при наличии сеточного тока, при синусоидальном сигнале / кГц. Масштаб
по вертикали: 10 дБ/дел. Масштаб по горизонтали: 2,5 кГц/дел. (0—25 кГц)
Хотя сеточный ток существует только при положительном напряжении на сетке относительно катода, реальные электронные лампы
начинают проводить сеточный ток при немного более отрицательных напряжениях на сетке из-за эффекта
термопары в соединении между различными нагреваемыми металлами в лампе и электронным облаком над поверхностью катода. У маломощных
приемо-усилительных ламп обычно, сеточный ток появляется при напряжении между сеткой и катодом ≈ — 1 В, при этом всегда
нужно помнить, что это напряжение складывается, как из напряжения смещения Vgk, так и из амплитуды
входного сигнала.
Искажения из-за сеточного тока и регулировки громкости
Поскольку, регулировка громкости как правило осуществляется путем изменения напряжения сигнала, подводимого к сеточной
цепи, то она также может играть определенную роль в возникновении сеточного тока и, сопутствующих ему нелинейных
искажений. Наиболее распространенный тип регулировки громкости — это резистор с переменными отводами либо подвижный контакт,
перемещающийся по резистивной подложке, либо переключатель, перемещающийся по отводам цепочки постоянных резисторов: смотри
рис. 4.10а.
В качестве альтернативы можно использовать постоянный последовательный добавочный резистор вместе с переменным шунтирующим
резистором, см. рис. 4.10 б.
Рис. 4.10 Простейшие варианты регулировок громкости
Следует заметить, что схема на рис. 4.106 имеет намного более высокое выходное сопротивление, чем схема на рис. 4.10
а. Измерение искажений при работе с высоким сопротивлением источника является далеко не самой простой процедурой, поскольку
нужно фиксировать слабый нелинейный ток, вызывающий падение напряжения на эквивалентном внутреннем сопротивлении источника
сигнала, которое включено последовательно сигналу. Результат ожидается вполне прогнозируемым: если сопротивление источника
повысится, то увеличатся и искажения, поскольку увеличится падение напряжения в сеточной цепи в моменты протекания сеточного
тока.
В качестве примера, катодный повторитель на лампе типа 6С45П, смещение которого задавалось приемником неизменяющегося
тока на лампе типа EF184, был опробован при уровне входного сигнала + 20 дБ (7,75 В действующего значения). Уровень искажений
каскада при внутреннем сопротивлении источника сигнала 5 Ом, составил 0,02%. Регулировка громкости типа (а) с потенциометром
100 кОм имеет максимальное выходное сопротивление 25 кОм, поэтому искажения также были измерены с сопротивлением источника
сигнала 25 кОм. Было установлено, что они также составляют около 0,02%. Тем не менее, когда сопротивление источника сигнала
было увеличено до 1 МОм, искажения возросли до 0,2%. Таким образом, применение такой схемы регулировки громкости на рис.
4.106, приводит к росту нелинейных искажений. До 1 МОм входное сопротивление этой схемы на практике обычно не доходит, но
100 — 200 кОм — значение вполне вероятное.
|
