六,整机设计及负反馈介绍
负反馈放大器介绍:
把放大器的输出信号的一部分反相位后再送到到输入端,叫做负反馈,加有负反馈的放大器称为负反馈放大器,亦称闭环放大器。反馈信号强度与输出信号电压成正比的,称电压负反馈;反馈信号强度与输出信号电流成正比的,称电流负反馈。
负反馈在一定程度上改善了放大器的性能,主要是:拓展了频率带宽,减小了失真,降低了噪声。 但是也减小了电路的放大倍数。
从反馈信号和输入信号的引入方式上,又可以将负反馈分为并联负反馈和串连负反馈两类。顾名思义,并联负反馈即反馈信号和输入信号为并联关系。串连负反馈即反馈信号和输入信号为串连关系。
综合起来,反馈可以细分成:电压串连负反馈,电流串连负反馈,电压并联负反馈,电流并联负反馈。它们除了具有负反馈的共同特点以外,还不同程度的影响了输入输出阻抗。
其中,电压反馈降低了输出阻抗,电流反馈增加了输出阻抗;并联反馈降低了输入阻抗,串连反馈增加了输入阻抗。例如,电压并联负反馈既降低了输入阻抗,又降低了输出阻抗;而电流串连负反馈则同时增加了输出,输入阻抗。
设反馈信号和输出信号的比值为β,称为反馈系数。对于电压反馈,反馈信号为Uf,输出信号为Uout,则反馈系数 β=Uf/Uout
设系统开环放大倍数为Ko,则加入负反馈后的闭环放大倍数Kf可由以下简略公式计算得出:
Kf=Ko/(1+βKo)
若开环增益Ko足够大,且反馈深度较深的情况下,即 βKo 》1时(通常当βKo>10时可以认为βKo》1),公式可以简化为Kf=1/β,即与开环放大倍数无关(这就是在晶体管运算放大器电路中常见的闭环情况)。
1,典型的单级电压并联负反馈(图一十四):
这里只作简易分析:放大系数 Kf=Ko/(1+βKo)=Ko/(1+Ko•RF/Rs),
Rs为图中信号源内阻,由于栅漏电阻Rg往往远大于Rs,故此处忽略不计。
输入阻抗 Rif=Rg||[Rf/(1+Ko)]
而此时的电子管等效内阻 raf=ra/(1+uβ),等效放大系数 u=u/(1+uβ)
这表明,u值很高的束射四极管和五极管,当β值较大的情况下,其等效内阻可以接近甚至小于三极管的内阻值。
2,典型的单级电流串连负反馈(图一十五):
放大倍数 Kf= uR'L/ra+R'L+(1+u)Rk
其输入阻抗Rif和原输入阻抗Ri的关系为 Rif=(1+βKo)Ri,是增大的
而此时电子管的等效内阻raf=ra+(1+u)Rk,可见电流串连负反馈将开环时的管内阻增大了 (1+u)Rk 倍。
串连电压负反馈和并联电流负反馈多用于多级反馈电路,可以利用上述方法分析。
多种负反馈组合使用称为混合负反馈电路。
3,简易实例分析(图一十六):
电路由三部分组成:共阴电压放大单元(V1,Ra,Rk组成),阴极输出单元(V2及其周边元件组成),负反馈网络(Rf和Rs组成),另有120K电阻和33uF电容组成了电源退耦部分。
4,共阴极放大单元简易计算:
查表得12AX7特性如下,ra=50K,u=100
电路采用直耦,由于阴极输出器输入阻抗甚高,忽略不计,故交流等效阻抗R‘L=Ra=220K。
可以看出,电压放大级是典型的电流串连负反馈电路,套用上述分析公式,得
本级放大倍数K1=100×220K/[50K+220K+(1+100)×2K]=46.6倍。
阴极输出器放大倍数小于且约等于1,设阴极输出器放大倍数K2=0.9
则,整机开环放大倍数 Ko=K1•K2=46.6×0.9=42倍
由于反馈信号由电阻Rf与信号源内阻Rs分压获得(电子管V1输入阻抗甚大,忽略不计),故反馈系数:
β=Uf/Uo=Rf/Rs=100K/1M=0.1
整机环路负反馈属于典型的电压并联负反馈,故闭环放大倍数套用上述公式,得:
Kf=Ko/(1+βKo)=42/(1+0.1×42)=8倍
实际实验结果证明,采用此线路程式,选用12AX7管,实测闭环放大倍数为7.9倍
选用放大系数u=70的6N9P管,实测闭环放大倍数为7.8倍
可以认为计算结果合理,也可以看出,负反馈稳定了电路参数。
附,反馈深度对数计算方法:
反馈深度 Ku=20lg(Kf/Ko)
如果反馈后,放大倍数Kf=0.5Ko
则反馈深度 Ku=20lg0.5=-6db,即反馈降低了6db电压增益
需要特别指出的是,深度负反馈电路在降低谐波失真的同时,却可能引入新的互调,瞬态互调失真,因此需要谨慎应用。
七,简易单管甲类功放电路设计实例:
要求:设计一台输出功率为8W的功率放大器。要求谐波失真小于5%。
1、选用功率放大管。目前常用的功率放大管中,查手册可知EL34五极管做单端A1类放大,其输出功率可达11W,但实际电路中往往存在各类损耗和误差,但输出8W功率还是不成问题,所以选择EL34做输出管比较合适。同时由于功率输出级失真较大,需要引入负反馈。
2、确定电路程式。输出级已经确定采用A1类单端放大,为了稳定起见,采用阴极自给偏置提供栅极所需要的偏置电压。查手册可知EL34满功率输出需要推动电压8.2Vrms,设输入音频信号为0.5Vrms,则电压放大级需要16.4倍放大量。由此可见采用三极管做一级共阴极放大即可满足要求。由于满功率输出时EL34功率管失真达10%,需要施加一定量的负反馈,故设定电压放大级电压增益Au=32倍。满功率输出8W在8欧姆负载上电压有效值Uo=8Vrms,输入电压0.5Vrms,整机闭环增益Kf=16倍。
3、根据图示数据和要求,做出功率放大级单元电路,如(图一十七)所示:
实际取Rk=200欧姆
由于流过Rk的电流包括帘栅极电流和屏极电流,Ik=83+13=96mA
保守计算设Ik=100mA,则Rk实际承受功率P=Ik•Ik•Rk=0.1A×0.1A×200Ω=2W
为了长时间工作保证稳定,选取标称功率5W的电阻
阴极旁路电容耐压为了安全起见,选取两倍于阴极电阻两端的电压值。阴极电阻两端电压值Uk=Rk•Ik=96mA×200Ω=19.2V,取系列耐压值50V的电解电容
阴极旁路电容的容量依据功放工作最低截至频率而定,
设最低截至频率fL=20Hz,则Ck不应小于如下公式计算值:
Ck≥3/2π•fL•Rk=3/(2×3.14×20×200)=0.00012F=120uF
这里取Ck=330uF
功率输出级电压增益:Au1=1(计算略)
4、电压放大级计算。已经设定电压放大级增益Au≥32倍,那么电压放大管放大系数u=2•Au=64,查手册12AT7放大系数u=70,符合要求。故选择12AT7做电压放大管。
常用负反馈引入方法如(图一十八)所示:
为电压串连负反馈,反馈回路由Rf和Rk2组成,反馈系数 β=Rk2/Rf。
同时注意到为了引入整机的电压串连负反馈,Rk2同时引入了电压放大级本级的电流串连负反馈,在计算电压放大级时要一并考虑。
查手册得12AT7参数,内阻ra=10K,放大系数u=70
设定供电电压为Ea=250V,通常屏极电阻Ra为内阻得2-10倍,这里选取Ra=24K
功率放大级计算时已确定EL34栅漏电阻Rg=240K,10倍于Ra,可以忽略不计
故电压放大级交流负载电阻R‘L=Ra=24K。
利用手册上12AT7特性曲线图做静态分析(具体方法参见电压放大级分析,此处略),
得出12AT7静态工作点,栅偏压Ug=-1V,屏压Ua=124V,屏流Ia=5mA
作图中得出最大输出峰峰值电压Upp已远大于EL34满功率驱动电压峰峰值,故无需验证。
电压放大级增益计算,Au2=35倍,满足预先要求得32倍 。
整机开环增益,Ko=Au1•Au2=1×35=35倍。
整机需要闭环增益根据前述,已经计算得Kf=16倍,反馈系数 β=1/Kf-1/Ko≈0.03
反馈电阻Rf=Rk1/β=200/0.03=6.6K,选取Rf=6.2K。
耦合电容C应该满足系统低频下限。
C≥3/2π•fL•Rg=1/(2×3.14×20×240K)=0.1uF,取0.22uF,耐压应大于本级直流供给电压,采用400V耐压系列。
设计完成的电路如下(图一十九):
整机电路如(图二十0所示:
各项验算工作从略。
八,成功制作功率放大器的关键。
成功制作功率放大器的的要素有很多,如各级的电子管的工作点的选择、变压器等元器件的质量、制作工艺、调整水平等等。在这些因素中,最重要的关键因素是:电子管的工作点的选择与变压器的质量。
1,关于输出变压器:输出变压器的设计将另文讨论,这里不做详细说明。
关于变压器,常见的误区是,不结合电路和所用功率管,只讨论输出变压器。显然这是不解决问题的。这里只指出以下几点:
a,输出变压器是为了电路服务的,只有针对某一电路设计的输出变压器,而没有什么输出变压器可以同时套用几个电路,即使它的初级阻抗一致。
b,在其他参数一定的情况下,输出变压器的分布电容基本和漏感成反比,是一对矛盾。
而不同的电路,不同的功率管所需的输出变压器初级电感量必然是不同的
c,不同的输出管,即使要求的低频参数指标相同,但是对变压器的电感量要求也不相同。例如,低内阻的300B只需要10-20H初级电感量就可以满足要求,而如果改用6P3P却需要几十H的电感量,所以两者的分布参数也必然不同。
对于低内阻管而言,所需初级电感量小,影响高频的主要因素是漏感
对于高内阻管而言,所需初级电感量大,影响高频的主要因素是分布电容。
这点在设计输出变压器的时候必须考虑,所以脱离电路谈输出变压器基本是没有意义的。
乙,电子管的特性曲线。
要正确的设计电子管的工作点,就必须依靠其特性曲线,因此我们必须掌握所用电子管的相关特性曲线。有了特性曲线,我们才有可能设计制作出性能卓越的放大器。特性曲线的来源有三个途径:查阅手册与自己测量,当然,还可以通过网络查找。不过,对于相当多的爱好者而言,自己动手测量则是最可靠的途径。如何自己动手测量电子管的特性曲线——转移特性曲线以及板极特性曲线,本文不再讨论,将另文说明。
参考资料:
1,/jyxd/06/t0627_1052.htm
2,/htm_tech/-3/47257_997720.htm
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图十七.png
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图十八.png
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