Видеоусилитель с общим фильтром Текст научной статьи по специальности «Физика»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО

ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

Том 105 ' 1960 г.

ВИДЕОУСИЛИТЕЛЬ С ОБЩИМ ФИЛЬТРОМ

И. А. СУСЛОВ

(Представлено научным семинаром радиотехнического факультета)

Введение

Для неискаженного усиления импульсов большой длительности приходится в каждом каскаде видеоусилителя применять конденсаторы большой емкости в цепях катода, экранирующей сетки и в анодном фильтре. Это приводит к увеличению габаритов и стоимости усилителя. Одним из наиболее экономных решений является совмещение функций катодного, анодного и экранного фильтров. Такая задача может быть выполнена с помощью схемы рис. 1. Здесь конденсатор Сф закорачивает переменную составляющую экранного тока на катод, выполняя таким образом функции конденсатора экранного фильтра. Одновременно он входит в состав анодного фильтра и позволяет осуществить фильтрацию напряжения анодного питания, развязку каскадов и коррекцию низких частот. Переменная составляющая анодного тока проходит в схеме рис. 1 через конденсатор Сф непосредственно на анодную нагрузку, минуя сопротивление Благодаря этому устраняется обратная связь по току, для чего в обычной схеме служит конденсатор в катоде. Имея в виду указанное совмещение функций катодного, анодного и экранного конденсаторов, назовем схему рис. 1 усилителем с общим фильтром.

Схема рис. 1 впервые была описана Г. М. Цейдлером и Дж. Д. Ноэ [1]. Авторы назвали ее „пентриодным" усилителем на том основании, что на высоких частотах лампа работает здесь как обычный пентод, а на низких—из-за конечного сопротивления конденсатора Сф на экранирующей сетке появляется переменный потенциал, как при триоа,-ном включении. Однако подобное же явление имеет место и в обычном реостатном каскаде. Поэтому „пентриодная* работа не является характерной особенностью рассматриваемой схемы.

В [1] исследуется лишь частный случай, когда противосвязь за счет переменного потенциала на экранирующей сетке компенсируется соответствующим возрастанием анодной нагрузки и частотная характеристика становится равномерной вплоть до частоты со = О1*. При этом не учитывается действие переходной'цепочки Однако для

видеоусилителей наибольший интерес представляет случай коррекции всех низкочастотных искажений, в том числе и обусловленных цепью

иг

Рис. 2.

Эквивалентная схема рассматриваемого усилителя изображена на рис. 2. Здесь Оп—напряжение паразитной обратной связи, развиваемое выходными каскадами на зажимах источника анодного питания, С2 включает монтажную емкость на землю и входную емкость следующего каскада.

Опуская элементы, определяющие характеристики усилителя в области низких частот, запишем уравнения узловых потенциалов схемы рис. 2 для высоких частот

ихЧ- = /,,

1 . 1

5 -Ь-

зи, - ик ( 5 +

и.

Як 1

г.

+

= о

г„

Jш(ck

(1)

z,

+щ

z,

Н~Уш с2

где

Z.

= ./ «> С,

я,

У 1а

Коэффициент усиления схемы может быть найден из двух последних уравнений (1). Их можно упростить, пренебрегая проводимостью по сравнению с рядом стоящим 5. Тогда эти уравнения перепишутся в виде:

и,

Я,

. ./ «> с, ! Г

__1

г..

Совершенно аналогично можно компенсировать искажения, создаваемые цепыо экранирующей сетки в реостатном каскаде.

•а / \ "а

Из системы (2) получаем /Г = - .

1 +Лк+ <7)2+/%? 2-'

1 +ЛЯ -с (1 - Х)т +1 -!- (1 - х)(~[ -1 )]2 +

у-[/с + ? + (! — х) хт -[- лг( 1 —х)(~[ — 1)] 22 + р к [<7 -}-(!—■*,) хт\23.'

(3)

Здесь обозначено Сх + С2 = Со, 2 = ю С0/?л,

С,

С,

Из (3) следует, что на средних частотах (поскольку мы не учитываем элементов схемы, определяющих характеристики в области низких частот, то, следовательно, и при 2=0) коэффициент усиления равен К0 = — Таким образом, усиление на средних частотах будет одинаковым с усилением обычного каскада с заземленным катодом, т. е. обратная связь по току на средних частотах отсутствует. Однако она появляется на высоких частотах вследствие того, что ток, заряжающий паразитную емкость С2, будет протекать через сопротивление

Положим в выражении (3) для простоты к = 0 и будем считать, что Ск образовано только паразитной емкостью, т. е. 0.

Тогда/Г = 5/?Л 5/?Л

1 гЩт + х +(1—1+^С^а[т+х+(1-х)1\

и комплексный коэффициент усиления будет таким же, как у обычного реостатного каскада, но с паразитной емкостью, увеличенной в тп -г х + (1 — Раз- В результате полоса пропускания усилителя заметно сокращается. Для устранения этого недостатка можно идти двумя путями: увеличить корректирующую индуктивность и использовать конденсатор Ск в качестве дополнительного корректирующего элемента, 2) использовать Ск в качестве блокирующей емкости. В первом случае на сопротивлении будет иметься переменный потенциал, влияющий на динамическую входную емкость каскада.

Входная емкость усилителя рис. 1

Протекание высокочастотных компонент сигнала по сопротивлению Як может привести к тому, что динамическая входная емкость усилителя рис. 1 будет отличаться от входной емкости лампы и потребуется соответствующее уточнение формулы (3) для Л*, полученной в предположении постоянства этой емкости.

Из системы уравнений (1) входная проводимость рассматриваемого усилителя получается равной:

я,

Г

У «С: |

z

у ш с2

— +У « + С2)

Здесь г/ = Яа-\-]<ьЬа.

Я:

-ГУ 10 С^Л

У СО С;

7 '

>(СГГС2)

Из (4) видно, что как на низких (<о->0), так и на очень высоких (ш-^оо) частотах входная проводимость каскада равна и дина-

мическая емкость равна входной емкости лампы. В промежутке между этими крайними значениями должно иметь место уменьшение входной емкости за счет появления переменного потенциала на катоде.

Перепишем (4) в виде

Сёк'- ^

1 +

Як

-ЬЛо(Сл -г Cgk)

7 +У^(С1 + С2)

+У ш с-2 ^"Г+Уш^

¿а

(5>

Второе слагаемое знаменателя входящей в (5) дроби значительно*

1 ..

меньше первого, так как-

Л

(О

Со, Поэтому мы не сделаем боль-

шой ошибки, если дополним /о)С2

+ у (о Сх ) до у ш С,

1

7 '

^а

Тогда (5) перепишется в виде У в Сёк'-

1

1 +

бушСг

. (57

Г 1 Г 1 1

Г С. + Ск) ^Т+МСг+СМ

При соблюдении строгости в выкладках необходимо было бы в выражении (5') выделить вещественную и мнимую части и найти затем динамическую входную емкость и активную проводимость. Однако такой путь приводит к громоздким выражениям Поэтому мы ограничимся приближенной оценкой.

Величина А стремится к нулю как при <о -»-0, так и при Влияние дроби ке^ будет наибольшим при максимуме л. Найдем

Подробные расчеты зависимости Свх от частоты и параметров схемы приводятся

в [2].

максимум А, пренебрегая для простоты наличием индуктивной коррекции в анодной цепи, т. е. полагая Ьа = 0. При Ьа = О

А2= мы-ху* 1 (6)

С <гь~\~ С>> С1

где л=-^-— , х =

Ск Сс

дА

Приравняв нулю производную ^ , получим 2sMaKC = - и

_ sRka~x)

л,

о у — макс —

d9J q(i+n)

макс

1 + + п) При этом фазовый угол Фмакс будет равным

Wc = --arctg-r<7(i+„)- - arctg = 0 ,

Т.

так как два последних угла дополняют друг друга до---— .

Таким образом, минимальная величина динамической входной емкости равна

с — Cgk

^вх. мин — ---—-

При л: = 0,2, SRk = 1,5, q(\-\-n) = \ получаем, например

С

^вх. мин

= —-—. Если при этом Cgk составляет 0,4 от общей емкости

Q = С1 -г Cgk + С0' в анодной цепи, то последняя изменяется лишь на 15%.

Анализ работы усилителя частотным методом

Ввиду сложности учета действия изменений входной емкости следующего каскада ограничимся анализом в предположении, что эта-емкость постоянна. При этом остается справедливой формула (3) для комплексного коэффициента усиления. В соответствии с (3) выражение для нормированного коэффициента передачи будет

К 1 + 0)«.;-/-'^

М =

Ко 1 АЧ -:-(! -x)m-tl + {\-x){--\)\il

+/ [« -г Я + (1 - х)хт + «(1 - х)(т - 1)] <->3 +

1 -f- /а, 2 + /2а2 22

+ /К — х)т] 28 1 +jbl(2-^fb¿l2-\-fb¿ls '

Для определения оптимальных параметров коррекции, соответствующих „плоской" частотной характеристике, получаем два уравнения

*2+<72 = [ч + {\-х)т + \ +(1-*Хт-1)Р- (8)

— 2 [к + 9 + х)хт + к(1 -*)(? — 1)], к2д2 = + ^ + — х)(Т - I)]2 -

-2«[|7 + 0-^)/и-Ы+(1--«КТ-1)] • (9)

■ [<7 - Х) /П] •

Первое из них изображается параболой, вершина которой соответствует к — — [?(1—л) + х]. Систему уравнений (8), (9) можно решить графическим путем, задаваясь к и вычисляя д из уравнений (8) и (9). На рис. 3 уравнения (8) и (9) представлены графически для области

/ .....— ... , ^

1 \ < 1" / / #

\ 1 —

/

/

О 0.6 /.0 /.5 2.0

Рис. 3.

положительных значений параметров к и д. Ход кривых рис. 3 показывает, что довольно быстро можно найти решение также методом последовательных приближений. Для этого, задаваясь к порядка 1, вычисляем д из уравнения (9), а затем найденное д подставляем в уравнение (8) и определяем к. Благодаря пологому ходу кривой 2 (уравнение (9)) и крутому наклону кривой 1 (уравнение (8)) уже первое приближение довольно близко к искомому решению системы (8), (9), а второго приближения оказывается вполне достаточно. При л— —О, 7 = 2,5, т — 0,08 оптимальные значения к и д получились равными л;~ 1,83, £ = 1,84. Соответствующая нормированная частотная характеристика, вычисленная по формуле

1 + +

г+А^+АгЫ + В^« '

где А1—а12 — 2а2у А2 = а22, Вд-=Ьг2, изображена на рис. 4 кривой 2.

При х = 0,5, т = 2,5, /тг — 0,03 имеем к: =1,14, ? — 1,2. Частотная характеристика для этого случая изображена кривой 3 рис. 4. В идеальном случае, когда х—\, т. е. вся емкость анодной цепи сосредоточена между анодом и катодом лампы данного каскада, числитель и знаменатель выражения (7) сокращаются на и по-следнее становится равным

аг = , (10)

1+У--

т. е. совпадает с аналогичным выражением для схемы с параллельной индуктивной коррекцией (кривая 4, рис. 4). Этого и следовало ожидать, так как ввиду отсутствия емкости С2 обратная связь за счет тока, заряжающего эту емкость, отсутствует. Устранить обратную связь на высоких частотах, создаваемую током, заряжающим С2, можно увеличением постоянной времени таким обра-

зом, чтобы было <7>1, например, выбирая в качестве Сп конденсатор емкостью 5000—10000 пф. При этом в знаменателе можно пренебречь членами, стоящими рядом с д (оставив лишь в Ь2 величину к), и выражение (7) снова сокращается на 1 /д9, становясь одинаковым с (10).

Таким образом, в схеме рис. 1 по сравнению с обычной схемой с простой коррекцией устраняются два конденсатора большой емкости, а усиление и полоса пропускания остаются прежними.

Серьезным недостатком рассматриваемого усилителя является его повышенная неустойчивость. Она связана с тем, что часть паразитного напряжения Оп (рис. 2) поступает здесь с зажимов источника питания через Иф и Сф на сопротивление в сеточную цепь первого каскада, в то время как при обычном включении анодного фильтра первый каскад не охватывается паразитной обратной связью. Указанный недостаток можно устранить с помощью описываемой ниже компенсации.

Повышение ¡устойчивости усилителя с общим фильтром

Найдем напряжение и2', которое появляется на аноде первой лампы за счет связи через общий источник анодного питания. Опуская в эквивалентной схеме рис. 2 элементы, имеющие значение лишь

для области высоких частот, и заменяя источник напряжения Оп генератором тока , получаем (при ¿/А = 0) следующие уравнения Нф

узловых потенциалов:

]

|

4 |

5 -1

Рис. 4.

йь{ 5+5,+ —1- + -Ч <оСф^ - иэ (+>Сф ) =0,

-и* & +

Як 1

Я,

+>оЛ + из

¡3

1

\ Я1Э 1

я,

ЯФ

я

+

р

+уш Сф — и2

и.

я„

Яф

зиь—и3-

Отсюда 02' =

яа

и,

1 Яа

и.

1Э

5+5,+

1

Як

1 + яФ

Яр

При

Яф_ Яь

имеем ¿Л/ — Опз напряжение паразитной обратной

связи передается ко входу второго каскада так же, как при отсутствии анодного фильтра, т. е. оказывается в десятки раз большим, чем в реостатном усилителе с одинаковыми параметрами.

Коэффициент передачи напряжения от сетки к аноду в схеме ис. 2 дл я области низких частот равен

Я,

5

Як V Яа Ъэ ) Яф^,

/оуСфБ

1

Я& Яф

Яа$ф

+/Г кк Кр

\-}*Сф[\ +

ЯкЯ[э \ як ,

Пересчитывая [/./ от анода к сетке первого каскада, получим

и.;

и,

2л

5+5.,+

Я,

ЯпЯф_

5 +4- + 1

Л">2

Я,,, 1

= ~ип.

> Сф ( Ц-5/?„ )]

Яь \я

Яф Яр

5 , Б, . / 1 , 1

------;- --------/^С^О ---------

яФя1Э ял, [я, Яр

а +

п С + /со

(11)

Для компенсации напряжения обратной связи применим цепочку Сы С-2П (рис. 1). Здесь служит для того, чтобы

усилитель не возбуждался при отключении источника сигнала. Конденсатор С. вместе с /?2 образует плечо компенсированного делителя, другое плечо которого состоит из и входной емкости. Таким образом устраняется опасность больших искажений на высоких частотах за счет

Напряжение, снимаемое с компенсирующей цепи, равно

1

йт=ия'

Я

О) С2н

1 +

Сы 1я2 \ я2 /

¿7.

>5

С + ]<аО

(12)

Компенсация обратной связи в первом каскаде имеет место, если ¿7 ! — ип2 = 0 на всех частотах. Для этого нужно, чтобы

А_

С

Ь В

— =- и

а и

а

А

В

(13)

Подставляя в (13) значения соответствующих коэффициентов из (11) и (12), находим соотношения для расчета параметров компенсирующей цепи.

. ЯФ ,

я,

5 Я,

1 +5/?в

ЯФ

як

БЯ,

1+5/?а

— V.

(14)

С<2Н _ ЯФ Як )

С\н + 1*1

ЯФ Я, )я1э + + ЯЯЛэ Яп

-г + $19 я*

С2« /?2 —

54-5., ^ Н-

ВД, (1 4- 5/?а)

Я,*

я,

(15)

(16)

Предлагаемой компенсирующей цепыо можно устранить паразитную обратную связь также в первых двух каскадах. Действительно, пересчитав напряжение обратной связи, имеющееся на аноде второй лампы к ее сетке, получим (полагая первые два каскада одинаковыми):

а 4- / и) Ъ и» = —иг'----т -

2 п с -|-у ша

Если первый каскад скорректирован по низким частотам, можно пренебречь искажениями в нем и пересчитать £/2" к сетке первой лампы по формуле

О./' и а +Уш ь

^ 2 — ^ п •----

пЪ

К0 Ко • с -f- j О) d

Условие компенсации будет тогда иметь вид

Оп] + Оп з — Оп2 = 0 или А - у 0)3 ( 1 \ а + у шЬ

/?1 Ко

R-л Ко—1

с2 Кп

Ci к0-\

С + у «J D \ К0 I с у о d

Отсюда

(14') (15')

Выражение для C2R2 остается прежним.

Вопросы низкочастотной коррекции усилителя рис. 1 были рассмотрены ранее [3]. Было показано, что усилитель с общим фильтром равноценен обычной схеме коррекции анодным фильтром, имеющей большую по сравнению с используемой емкость фильтра и меньшее сопротивление Яф *). Таким образом в усилителе рис. 1 не только отсутствуют отдельные емкости Ck и С5, но и допускается уменьшение конденсатора Сф.

ЛИТЕРАТУРА

1.Ze id 1 е г H. М. and N о е J. D., Pentriode Amplifiers. PIRE, 1948, № П.

2. У - В о н-X о. Малогабаритный широкополосный усилитель. Дипломный проект, ТПИ, 1959.

3. Суслов И. A.t Коррекция искажений вершин импульсов в усилительных каскадах с незаблокированным катодным сопротивлением при питании экранирующей сетки от анодного фильтра. Известия ТПИ, т. 86, 1958.

i) См. формулы (11) и (12) в [3].