Усилитель мощности с отрицательной обратной связью

На рис. 153 приведены практические принципиальные схемы усилителей мощности с отрицательной обратной связью. Рассмотрим работу оконечного каскада на пентоде с отрицательной обратной связью по напряжению (рис. 153, а).

Рис. 153. Практические схемы усилителей с отрицательной обратной связью: а — схема оконечного каскада на пентоде; 6 — схема двухкаскадного усилителя.

В этой схеме цепь обратной связи, состоящая из емкости С_β и сопротивлений R_β и R₂, подключена параллельно выходной лампе и нагрузке. При поступлении на вход сигнала, понижающего потенциал управляющей сетки, потенциал анода возрастает, конденсатор С_β заряжается по цепи +Е_a — первичная обмотка трансформатора -С_β-R_β-R₂ — шасси. При этом зарядный ток создает на сопротивление R₂ напряжение, повышающее потенциал управляющей сетки.

Наоборот, если поступающий сигнал увеличивает потенциал управляющей сетки, то напряжение на аноде падает, и конденсатор С_β, ранее заряженный до более высокого напряжения, разряжается через элементы С_к, R₂, R_β. На сопротивлении R₂ образуется напряжение, понижающее потенциал управляющей сетки и меняющееся в противофазе со входным сигналом, т. е. напряжение обратной связи U_β.

Если предположить, что токи заряда и разряда емкости С_β равны между собой, то можно написать очевидное равенство

U_β = i_зарR₂ = i_разрR₂=βU_вых

Приближенно можно считать, что β≈ R₂/R₂+R_β. Сопротивление R_с имеет величину порядка нескольких сот килоом, в то же время для обеспечения заданного коэффициента β необходимо, чтобы напряжение обратной связи U_β создавалось на более низкоомном сопротивлении R₂.

Поэтому R_с разделено на два сопротивления:│ R₁ и R₂. Принципиально сопротивление R_β можно присоединить и непосредственно к управляющей сетке лампы. Тогда напряжение обратной связи будет создаваться на всем сопротивлении R_с = R₁ + R₂.

Вторая схема, приведенная на рис. 153, б, также имеющая практическое применение, представляет собой двух-каскадный усилитель, в котором отрицательной обратной связью охвачены оба каскада. При поступлении на вход сигнала на сопротивлении R_к образуется переменное напряжение, пропорциональное как переменной составляющей анодного тока лампы Л₁, так и выходному напряжению усилителя. Например, если входной сигнал повысит потенциал сетки Л₁, то возросший анодный ток ее на сопротивлении R_к создает дополнительное падение напряжения, увеличивающее отрицательный потенциал управляющей сетки этой лампы.

Одновременно тот же входной сигнал вызовет увеличение напряжения на аноде лампы Л₂. При этом через цепочку обратной связи C_βR_к пойдет зарядный ток, который на сопротивлении R_к создаст дополнительное падение напряжения, тоже увеличивающее по абсолютной величине отрицательный потенциал управляющей сетки лампы Л₁. Таким образом, на сопротивлении R_к образуется напряжение отрицательной обратной связи, пропорциональное как анодному току лампы Л₁, так и выходному напряжению усилителя.

В катодном повторителе, схема которого представлена на рис. 154, сопротивление нагрузки включено в цепь катода, поэтому переменное напряжение на нем, т. е. на выходе, находится в фазе с входным сигналом. В схеме используется глубокая   отрицательная обратная связь с коэффициентом β≈1, так как все напряжение с выхода поступает обратно во входную цепь. Рис. 154 Схема катодного повторителя

Воспользовавшись формулой (270), определяющей коэффициент усиления каскада с отрицательной обратной связью, можно получить выражение для коэффициентов усиления катодного повторителя:

                                (271)

т. е. К_к.п< 1.

Если учесть, что коэффициент усиления каскада без обратной связи определяется по формуле

где R_к, являясь сопротивлением нагрузки, заменяет в формуле (228), то коэффициент усиления катодного повторителя можно рассчитать по формуле

                                (272)

где μ_э = μ/1+μ - эквивалентный коэффициент усиления лампы; R_iэ = R_i / 1+μ - эквивалентное внутреннее сопротивление лампы.

Умножив числитель и знаменатель формулы (272) на R_iэ, получим

                              (273)

где μ_э = R_iэ=S — крутизна лампы; R_iэ·R_к/R_iэ+R_к=R_э=R_вых — выходное сопротивление катодного повторителя.

Анализируя последние выражения, можно прийти к следующим выводам:

1. отрицательная обратная связь как бы изменяет параметры лампы, вследствие чего падает усиление;
2. уменьшение выходного сопротивления R_вых катодного повторителя, по сравнению со значением R_вых = R_iR_а/R_i+R_i для схемы с общим катодом, вызывает уменьшение постоянной времени τ = С₀R_э, что приводит к расширению полосы пропускания (в 10—20 раз).

Входная емкость катодного повторителя примерно равна проходной емкости лампы С_ас.

Коэффициент усиления катодного повторителя мало зависит от соотношения между сопротивлениями R_к и R_i.

Чем больше μ лампы, тем при меньшем отношении R_к/R_i наступает постоянство К_к.п. Так, например, если μ лампы равно 40—50, то увеличение отношения R_к/r_i свыше 0,3 не приводит к заметному увеличению коэффициента усиления. При μ = 20 рост коэффициента усиления прекращается при R_к/R_i≈1.

Режим работы лампы катодного повторителя по постоянному току соответствует типовому режиму работы лампы.

Катодный повторитель в электронной аппаратуре выполняет функции согласования предыдущего каскада с последующим, если первый каскад имеет высокоомную нагрузку, а второй — низкоомное сопротивление. Катодный повторитель, являясь элементом схемы, трансформирующим сопротивление, отличается от трансформатора тем, что обладает хорошими частотными и фазовыми характеристиками.