真空管共阴极放大器 (第二部份)【转帖】

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真空管共阴极放大器 (第二部份)【转帖】
发表于 2004年02月06日 由 孙恩宏  

摘自：www.diyzone.net  作者：孙恩宏
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真空管共阴极放大器 (第二部份)【转帖】
孙恩宏（Steve Sun）

在共阴极放大器 (第一部份) 中, 我们讨论了共阴极放大使用阴极电阻提供栅极偏压. 这篇文章的目的是要来深入的讨论阴极电阻对共阴极放大器的影响.

1. 阴极电阻对负载线的影响

让我们看一下有阴极电阻的三极管电压放大器:




接下来我要说明阴极电阻对负载线所产生的影响.

假设流经Rp, Rk及三极管的电流是 i_p, 电源供应电压是 Epp. 应用欧姆定律:



其中 e_pk是屏极与阴极间的电位差. 由第一式:





如果没有阴极电阻,





. 第四式就是在共阴极放大器 (一) 中用来寻找负载线的工具. 把第三式改写一下:



第五式说明了: i_p 是 e_pk 的线性函数, 直线的斜率是 –1/(Rp + Rk). 这条直线与 i_p 轴的交点是 Epp/(Rk + Rp). 同时, 这条直线已经不是第二节中的直线了! (斜率不同, i_p 轴的交点也不同.) 也就是说, 加入阴极电阻的负载线与没有阴极电阻的负载线并不相同! 所以工作点也会跟著改变!

再回到共阴极放大器 (一) 中的例子: 使用 12AU7 三极管, R_p = 300K Ohms, Epp = 300V, Rk = 3.33K Ohms, 栅极负偏压为 –10V. 负载线被两点完全决定:

? 点1. e_pk = 300V时, i_p = 0
? 点2. e_p = 0V 时, i_p = 300V/33.3K = 9 mA

从图来看:





我们很清楚看到: 有阴极电阻时的负载线与没有阴极电阻时的负载线并不相同.




图说：在本文中，作者以12AU7这个常见的真空管举例，可以帮助读者更轻易的切入设计核心，尽快上手设计自己的管机！

2. 阴极电阻对共阴极放大器之影响



左侧这个共阴极放大器的栅极电位是 e_g, 而且 e_g = e_gk (e_gk = 三极管栅极与阴极电位差). 而右侧这个加上阴极电阻的三极管放大器的 e_gk 并不是 e_g, 此时的 e_gk 是:



改写一下上式:





假设我们使用 7F8, 7F8 的特性曲线如下:



再假设: Rk = 1000Ohms. 我们要来找 e_gk = 0V 时, i_p 与 e_p 的关系. 式 (*) 告诉我们计算 i_p 的方法, 由7F8 的特性曲线我们就可以找出 e_p:

? e_g = 0, e_gk = 0, 由 (*): i_p = (0 – 0)/1000 = 0
? e_g = -1, e_gk = 0, 由 (*): i_p = (-1 – 0)/1000 = -1 mA, 取绝对值: i_p = 1 mA
? e_g = -2, e_gk = 0, 由 (*): i_p = (-2 – 0)/1000 = -2 mA, 取绝对值: i_p = 2 mA
? e_g = -3, e_gk = 0, 由 (*): I_p = (-3 – 0)/1000 = -3 mA, 取绝对值: i_p = 3 mA
? e_g = -4, e_gk = 0, 由 (*): I_p = (-4 – 0)/1000 = -4 mA, 取绝对值: i_p = 4 mA
? …

(从这个计算, 您有没有觉得很 “线性”?)

在7F8 的特性图中, e_gk = 0 就是下图中的实线:





用这个方法, 您可以把所有的特性曲线重画:



从这个图, 您是否能看到阴极电阻对共阴级放大器的影响:

? 使用阴极自供偏压时, 您可以把阴极电阻想成是三极管的一部分, 而这只 “等效” 新三极管的特性曲线是上图中的这组实线.
? 使用阴极自供偏压时, 整个共阴极放大器的特性可以由这组新曲线得知.
? “等效” 新三极管特性曲线变得平直, 所以失真也变小! (更精确的说法是: Rk 产生局部电流回授, 使得失真降低.)
? Rk 有一石二鸟的功\能: 提供偏压, 降低失真. 下回我再来仔细分析 Rk 的优点.



图说：管机电路一定很简单？不一定喔，也可能是非常复杂的架构。事实上，现在许\多复杂的晶体电路技术，如电流镜、串叠….都是在真空管时代就已经发展成熟的技术，只是后来引用到半导体上。

3. 偏压线
从第二节的讨论, 我们知道使用阴极电阻提供偏压时, 工作点会移动. 又由第一节, 我们知道工作点还是在负载线上. 工作点在那里? 有没有较方便的方法帮助我们寻找工作点的位置呢??

让我们来复习一下阴极偏压的情况:





? 流经阴极的电流就是屏流.


现在让我们来看个例子:

范例: 12AU7 共阴极放大器, Epp = +300V, Rp = 30K 欧姆. 栅极负偏压 = -5V: (这图的符号和我们的不同, 实在懒得改了. 图中的 Ebb 是我们的 Epp, 图中的 ib 是我们的 ip, 图中的 ec 是我们的 egk, 图中的 eb 是我们的 epk.)





在 12AU7 特性曲线上, 负载线和工作点的位置是:


如果决定栅极负偏压是 –5V, 工作点就是上图的 (3) 点. 这时, 屏极电压 e_p = 140V, 屏极电流 5 mA. 所以阴极电阻应该是 Rk = 5V/5mA = 1K 欧姆. 加上了阴极电阻后电路变成:




但是, 因为阴极电阻的出现, 屏极电压和屏极电流必然会产生变化.

请您注意, 阴极自供偏压时, 真空管阴极电压等于负的栅极负偏压.:






这个公式就是所谓的 “偏压线”. Rk = 1000, 利用偏压线的公式我们知道:

? 当 eg = 0V 时, ip = 0,
? 当 eg = -5V 时, ip = -(-5V)/1K = 5 mA
? 当 eg = -10V 时, ip = -(-10)/1K = 10 mA.
? …

把这些点在 12AU7 的特性曲线上画出来:




最后, 因为 (ep, ip) 在负载线上移动, (ek, ip) 在偏压线上移动, 而且流经 Rk 的电流等于流经屏极的电流 (假设栅极电流很小!). 所以: 有阴极电阻的电压放大器的屏极电压与屏极电流 (工作点), 是负载线与偏压线的交点. 有了偏压线, 我们就不需要重画特性曲线也能找到工作点. 上图中, 您明显的看到: 1. 偏压不是预定值 –5V, 2. ip也略有变化。

注意: 负载线是直线, 偏压线不是直线!!

参考资料:
1.Bruce Rozenblit: Beginner’s Guide to Tube Audio Design, Audio Amateur Press, 1997.
2.Malmstadt, Enke: Electronics for Scientists, 1962.
3.Morgan Jones: Valve Amplifiers, 2nd ed., Newnes, 1999.
4.Valley, Wallman: Vacuum Tube Amplifiers, McGraw-Hill, 1948.