Шаг за шагом. Усилители и радиоузлы

Сворень Рудольф Анатольевич

Рис. 40. Отрицательная обратная связь позволяет ослабить фон, уменьшить выходное сопротивление, повысить стабильность, улучшить частотную характеристику и, что особенно важно, понизить нелинейные искажения. Главные недостатки отрицательной обратной связи — пониженное усиление и необходимость большого входного сигнала — обычно отступают перед ее многочисленными достоинствами.

В результате нелинейных искажений в спектре выходного сигнала появляются составляющие, в частности гармоники, которых во входном сигнале не было. По цепи обратной связи эти посторонние составляющие попадают на сетку лампы и оттуда наравне с входным сигналом управляют анодным током. Теперь в анодном токе будет две группы посторонних вредных гармоник: первая

из них возникает в самой лампе в результате нелинейных искажений, вторую мы создаем искусственно, управляя анодным током с помощью напряжения U_o.с. Из самого определения отрицательной связи следует, что обе группы составляющих противофазны, то есть посторонние гармоники анодного тока, пробравшись по цепи обратной связи на командный пункт лампы — на управляющую сетку, используют ее усилительные свойства и сами же себя ослабляют. Правда, одновременно уменьшается и напряжение основного сигнала — обратная связь не разбирает, где «свои», где «чужие», и одновременно ослабляет все составляющие выходного напряжения. Однако ослабление основного сигнала — дело поправимое: нужно просто повысить напряжение, поступающее от предыдущего каскада. Если нет необходимого запаса усиления, стоит даже добавить еще один каскад — усилитель напряжения. Выигрыш, который дает применение отрицательной обратной связи, обычно стоит такой жертвы. Она позволяет уменьшить коэффициент нелинейных искажений в несколько раз. Но не только это дает нам отрицательная обратная связь.

До сих пор мы считали, что обратная связь имеет одинаковую глубину на всех частотах. Однако совсем необязательно всегда выполнять это условие. Включив в цепь отрицательной обратной связи уже знакомые нам фильтры, можно завалить или поднять частотную характеристику на том или ином участке. Это хорошо видно на примере включения в цепь обратной связи простейших регуляторов тембра (рис. 39, 5, а). Цепочки R_нC_н и R_вC_в — это уже знакомые нам регуляторы тембра; первый из них в большей или меньшей степени ослабляет низшие частоты, второй — высшие (рис. 35, 4). Точно так же действуют эти цепи и в схеме рис. 39, 5, а. Однако результат здесь получается совсем иным.

Что значит ослабить отрицательную обратную связь на той или иной частоте? Это значит ослабить на этой частоте мешающее действие напряжения U_o.с и таким образом повысить усиление. Иными словами, усиление обратной связи приводит к завалу (рис. 39, 5, б) частотной характеристики, а ослабление — к подъему (рис. 39, 5, в).

рис. 39, 5

В цепь обратной связи включают не только регуляторы тембра, но и корректирующие RС-цепочки из постоянных сопротивлений и конденсаторов. Мы начали разговор о достоинствах отрицательной обратной связи, отметив, что с ее помощью можно понизить внутреннее сопротивление лампы и тем самым улучшить демпфирование громкоговорителя. Прежде чем говорить о том, как это делается, придется отметить, что существуют две разновидности отрицательной обратной связи: связь по напряжению и связь по току, или, иначе, параллельная и последовательная обратная связь.

Рассмотрим две наиболее распространенные схемы подачи обратной связи. В первой из них (рис. 39, 2, а) напряжение U_o.с возникает на катодном сопротивлении R_к.

рис. 39, 2

Это обычное сопротивление автоматического смещения, не заблокированное конденсатором (рис. 30, 23). Проходя по R_к, анодный ток создает на нем напряжение U_к, которое действует между катодом и корпусом, а значит, между катодом и сеткой. По мере увеличения U_вх растет I_а, а вместе с ним растет и U_к. Что же касается фазы этого напряжения, то здесь все зависит от «точки зрения». Если мы измеряем напряжение U_к относительно земли (шасси), то U_вх и U_к (U_o.с) действуют синфазно. Если же измерять U_к относительно катода, то оно противофазно U_вх. Все это настолько очевидно, что, по-видимому, не требует объяснений. Напряжение всегда действует между двумя точками, и если в точке а мы отмечаем «плюс» относительно б, то это одновременно означает, что в точке б будет «минус» относительно а. Подобно этому, человек, живущий на первом этаже, считает, что весь дом находится над ним, а жильцу с последнего этажа кажется, что дом находится под ним.

рис. 30, 23

Чтобы легче было уловить фазовые соотношения в сложной схеме, радиолюбители обычно рассматривают все цепи в момент положительного напряжения на сетке. Рассуждения ведутся примерно так: «Если на сетке «плюс», то анодный ток растет, на катоде растет «плюс», а на корпусе, то есть фактически на сетке — «минус»…

Рассуждая так, мы придем к выводу, что напряжение U_o.с, действующее на катодном сопротивлении R_к, создаст отрицательную обратную связь. Определяя фазу, мы обязаны смотреть на это напряжение со стороны катода. Только при этой «точке зрения» мы определим фазу напряжения на сетке, которая через R_c соединена с корпусом.

Схема рис. 39, 2, а — это одна из схем обратной связи по току — здесь напряжение U_к (U_o.с) непосредственно зависит от переменной составляющей анодного тока I_a~. Обратная связь по току увеличивает внутреннее сопротивление лампы (разумеется, только в данной схеме и в данном режиме), и поэтому ее стараются не применять в выходном каскаде, работающем на динамический громкоговоритель.

В схеме (рис. 39, 3, а) на сетку в качестве U_o.с подается часть переменного анодного напряжения U_a~. Между анодом и катодом включен делитель R_ac R_c, на части которого (R_c) и действует напряжение U_o.с. В данном случае обратная связь получается отрицательной потому, что напряжение на сетке и на аноде сдвинуты по фазе на 180°, то есть противофазны. Это одна из многих схем обратной связи по напряжению: U_o.с непосредственно зависит от U_a~, так как является его частью. Обратная связь по напряжению уменьшает выходное сопротивление каскада и поэтому применяется очень широко, в том числе и в выходных каскадах, работающих на динамический громкоговоритель.

рис. 39, 3

Еще одно достоинство отрицательной обратной связи: она делает усилитель менее капризным, его режимы в меньшей степени зависят от изменения питающих напряжений, от изменения нагрузки на выходной каскад. Последнее обстоятельство особенно важно для усилителей радиоузлов, так как в процессе работы радиоузла нагрузка его оконечных каскадов может сильно изменяться. Представьте себе, что во время какой-нибудь неинтересной передачи половина слушателей — абонентов радиоузла — выключит свои громкоговорители.

В этом случае резко изменится нагрузка, а значит, и режим работы выходного каскада. С несколько похожим явлением мы встречаемся и в усилителе, работающем на динамический громкоговоритель: сопротивление звуковой катушки громкоговорителя неодинаково на различных частотах, и поэтому режим выходного каскада также меняется с частотой.

Каким же образом отрицательная обратная связь может уменьшить эти недостатки? Обратная связь автоматически регулирует усиление каскада: если уменьшится нагрузка и возрастет выходное напряжение U_вых, то сразу же появится некоторое дополнительное напряжение обратной связи, которое будет стремиться уменьшить U_вых. Таким образом, отрицательная обратная связь стремится сохранить неизменным выходное сопротивление усилителя и режим его работы.