Ультралинейный двухтактный ламповый каскад с управлением по второй сетке и методика его настройки

Изобретение относится к высококачественным ламповым усилителям напряжения и мощности, модуляторам передатчиков, линейных генераторов синусоидальных сигналов. Технический результат заключается в повышении линейности двухтактного лампового каскада с уменьшением уровня нелинейных искажений. Каскад состоит из пары ламп тетродов или пентодов VL1, VL2, включенных по схеме Фиг. 1, трансформатор Tr1 с подключенной ко вторичной обмотке L3 нагрузкой Zn и заданным коэффициентом трансформации обеспечивает заданное положение нагрузочной прямой на статических характеристиках лампы двухтактного каскада, при этом первые (управляющие) сетки ламп заземлены, что расширяет полосу пропускания усилителя в верхней части звукового диапазона, а по вторым (экранным) сеткам осуществляется более линейное управление. Во вторые (экранные) сетки ламп включены дополнительные ультралинейные обмотки L4, L5, что дополнительно повышает линейность управления каскадом и снижает уровень гармонических и интермодуляционных искажений.

Настройка каскада сводится к установке потенциала 2 (экранной) сетки, в соответствии с графиком зависимости тока анода от потенциала второй (экранной) сетки, в пределах 20-30% для класса АВ, В, и середине линейного участка характеристики для класса А. Смещение на первой (управляющей) сетке ламп каскада устанавливается любым известным способом, но максимальная линейность каскада достигается заданием смещения по 1 (управляющей) сетке источниками тока в катодах, шунтированными конденсаторами для устранения ООС. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники, а конкретно к устройствам усиления звуковых сигналов посредством электронных ламп.

Ламповый двухтактный каскад - это один из основных каскадов усиления колебаний звуковых сигналов, получивший массовое распространение в усилительной технике. Построение усилительных каскадов по двухтактной схеме, особенно в классе АВ и В (АВ2, В2) позволяет получить от тракта усиления сравнительно неплохие характеристики: низкий уровень интермодуляционных и гармонический искажений (при точной балансировке), компенсацию четных гармоник на нагрузке (взаимно вычитаются), исключение подмагничивания выходного и переходного трансформаторов током покоя каскадов (вследствие компенсации протекающих токов в противофазных обмотках) и др.

Основными параметрами, определяющими конечную линейность данного каскада, являются: линейность анодных характеристик применяемых радиоламп, линейность управления каскадом и применение специальных мер повышения линейности.

Одним из известных решений получения высокой линейности каскада и уменьшения гармонических и интермодуляционных искажений является применение компенсационного метода [Джонс Морган. Ламповые усилители / пер. с англ.: под общ. Научной ред. к.т.н. доц. Иванюшкина Р.Ю. - М.: Издательский дом «ДМК-пресс», 2007. - С. 289]. Суть данного решения заключается во включении последовательно 2-х каскадов с общим катодом на одинаковых лампах. Каждый каскад инвертирует сигнал, искажения второй лампы являются инвертированными относительно искажений первой и происходит их взаимная компенсация. Недостатком данного решения является сложность настройки данного каскада, т.к. для полной компенсации искажений требуется генерирование первым каскадом искажений в 4 раза интенсивнее, чем вторым, т.к. оба каскада усиливают сигнал.

Другим известным способом уменьшения искажений каскада (увеличения линейности) является перенос части витков трансформатора (или дросселя), выполняющего роль анодной нагрузки в катодную цепь. [Джонс Морган. Ламповые усилители / пер. с англ.: под общ. Научной ред. к.т.н. доц. Иванюшкина Р.Ю. - М.: Издательский дом «ДМК-пресс», 2007. - С. 521]. При этом благодаря протеканию переменной составляющей через катодную часть обмотки со стороны катода действует последовательная обратная связь по напряжению, которая линеаризует параметры каскада. Коэффициент обратной связи определяется соотношением витков анодной и катодной частей обмотки. Максимальная линейность каскада достигается при равенстве анодной и катодной частей обмотки. При этом коэффициент усиления близок к единице, т.к. со стороны катода действует 100% отрицательная обратная связь по напряжению. Недостатком данного решения является необходимость подачи высокого напряжения возбуждения на вход данного каскада.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является использование ультралинейного включения ламп каскада. При этом вторая сетка подключается к части витков анодной обмотки [Джонс Морган. Ламповые усилители / пер. с англ.: под общ. Научной ред. к.т.н. доц. Иванюшкина Р.Ю. - М.: Издательский дом «ДМК-пресс», 2007. - С. 517], [Hafler, David and Keroes, Herbert I., 1951 An Ultra-Linear Amplifier, Audio Engineering, November, стр. 15-17], [British Patent No. 496,883. 1937, Improvements in or Relating to Thermionic Valve Amplifying Circuits. Alan Blumlein]. Плавно изменяя положение ультралинейного отвода можно добиться выходной мощности свойственной пентодному включению и высокой линейности, свойственной триодному включению. Недостатками данного решения является сложность изготовления высококачественного ультралинейного трансформатора.

Задачей предлагаемого технического решения является улучшение линейности двухтактного лампового каскада и, как следствие, уменьшение уровня нелинейных искажений путем применения более линейного способа управления двухтактным ламповым каскадом с применением специальных мер повышения линейности.

Сущность изобретения заключается в том, что в отличие от предложенного в прототипе способа управления ламповым двухтактным каскадом по первой (управляющей) сетке управление производится по 2 (экранной) сетке. При этом первая (управляющая) сетка заземляется по переменному току, а в цепь второй (экранной) сетки включаются дополнительные ультралинейные обмотки. Применение управления по 2 (экранной) сетке улучшает линейность управления каскадом в целом т.к. зависимость тока анода от напряжения на 2 (экранной) сетке носит более линейный характер, чем зависимость анодного тока от напряжения на 1 (управляющей) сетке. Заземление 1 (управляющей) сетки расширяет полосу пропускания каскада в области высоких частот, т.к. устраняется влияние проходной и входной емкости лампы на частотные параметры каскада.

Включение отдельных дополнительных ультралинейных обмоток в цепь 2 сетки ламп двухтактного каскада позволяет достичь значительного уменьшения уровня нелинейных искажений благодаря созданию ООС по напряжению и позволяет питать вторые сетки непосредственно от предыдущего каскада (схемотехника с непосредственной связью каскадов), не теряя преимуществ ультралинейного включения.

Предлагаемый двухтактный ламповый каскад возможно использовать для построения высококачественных ламповых усилителей напряжения и мощности, модуляторов передатчиков, линейных генераторов синусоидальных сигналов.

На Фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема предлагаемого каскада.

Двухтактный ламповый каскад (Фиг. 1) состоит из пары ламп VL1, VL2, включенных по предлагаемой схеме. Трансформатор Tr1 с подключенной ко вторичной обмотке L3 нагрузкой Zn и заданным коэффициентом трансформации обеспечивает заданное положение нагрузочной прямой на статических характеристиках лампы двухтактного каскада. Коммутация первичных и ультралинейных обмоток выходного трансформатора указана на схеме Фиг. 1. Первые сетки (управляющие) ламп двухтактного каскада заземлены. Во вторые сетки (экранные) ламп включены дополнительные обмотки L4, L5. Рабочая точка по постоянному току может задаваться любым известным способом: при помощи резистора автоматического смещения, подачей фиксированного смещения на первые сетки ламп, заданием фиксированного смещения источником тока в катоде и др. При подаче фиксированного смещения на первые сетки ламп их следует надежно заземлить по переменному току.

Наиболее эффективным является задание фиксированного смещения источниками тока в катодах ламп двухтактного каскада. При этом достигается наибольшая линейность и стабильность параметров каскада.

Блокирующие конденсаторы C1, С2 устраняют создаваемую источниками тока I1, I2 отрицательную обратную связь по переменному току со стороны катода.

При построении двухтактного лампового каскада по предложенной схеме предоконечный каскад должен обеспечивать возможность подключения вторых (экранных) сеток с непосредственной связью (без разделительного конденсатора).

Настройка каскада заключается в установке потенциала второй сетки в соответствии с графиком зависимости тока анода от потенциала второй сетки таким, чтобы рабочая точка соответствовала области малых токов анода, 20-30% от максимального тока анода для класса АВ и В и среднему току анода на линейном участке в классе А, после чего смещение ламп двухтактного лампового каскада по первой (управляющей) сетке выставляется в соответствии с заданным режимом работы любым известным способом.

1. Двухтактный ультралинейный ламповый каскад, состоящий из пары ламп типа тетродов или пары ламп типа пентодов, трансформатора с подключенной к его вторичной обмотке нагрузкой, с заданным коэффициентом трансформации и дополнительными ультралинейными обмотками в цепи вторых экранных сеток каждой из ламп, отличающийся тем, что управление каскадом осуществляют по второй экранной сетке каждой лампы с сохранением в цепи ультралинейных обмоток трансформатора, и заземлении первой управляющей сетки каждой из ламп по переменному току с подачей фиксированного смещения на первую управляющую сетку каждой лампы, а также шунтирующих конденсаторов, блокирующих создаваемую источниками тока отрицательную обратную связь по переменному току со стороны катода каждой из ламп.

2. Способ настройки двухтактного ультралинейного лампового каскада, заключающийся в установке тока анода каждой из ламп, равного 20-30% от максимального тока для класса АВ и В и середине линейного участка характеристики для класса А, устанавливаемого заданием напряжения смещения на первой управляющей сетке каждой из ламп с учетом положения нагрузочной прямой и потенциала относительно катода на второй экранной сетке, отличающийся тем, что при настройке устанавливают потенциал второй экранной сетки в соответствии с зависимостью тока анода от потенциала второй сетки в пределах 20-30% от максимального тока анода для класса АВ и В, и середине линейного участка характеристики для класса А, после чего устанавливают смещение каждой из ламп каскада по первой управляющей сетке таким образом, чтобы максимальная линейность каскада достигалась заданием смещения по первой управляющей сетке источниками тока в катодах, шунтированными конденсаторами для устранения отрицательной обратной связи.