都是内阻惹的祸:屏_阴分割倒相电路的传说

来源:bbs.hifidiy.net 发布者:mld 版权:原创

输出阻抗是什么?在“百科词条”里,我们可以查到这样的定义:“阻抗是电路或设备对电流的阻力,输出阻抗是在出口处测得的阻抗。阻抗越小,驱动更大负载的能力就越高。”啥叫不平衡?个人理解就是其输出用表测出的两个电压值...

都是内阻惹的祸

据说这个电路的上臂(屏极)输出阻抗很高,而下臂(阴极)则输出阻抗很低,因此电路上下臂输出是不平衡的。在搜索和查阅相关资料、包括学过的课本里,大都是这样来形容:

“屏-阴分割式倒相电路屏极输出阻抗几乎等于屏极电阻,阴极输出阻抗很低,当负载较重情况下是不平衡的”

“此电路的屏极输出阻抗高达几百千欧,而阴极又低到才几千欧,两臂输出阻抗相差极为悬殊!”

“屏阴分割式倒相器的输出电压还不可能做到严格平衡。空载情况下上下臂输出电压U1、U2还相等,而有载时因上臂输出阻抗很高则输出跌落,下臂输出阻抗很低则输出上冲,并且是下一级负载电阻(栅漏电阻)越小,不平衡现象也越显著”

说法基本类似相同,还有很多,不再列举......

输出阻抗是什么?在“百科词条”里,我们可以查到这样的定义:“阻抗是电路或设备对电流的阻力,输出阻抗是在出口处测得的阻抗。阻抗越小,驱动更大负载的能力就越高。”

啥叫不平衡,个人理解就是其输出用表测出的两个电压值一大一小,反映在示波器上就是两个波形一个高一个低的。为帮助直观的理解,我们先来从下面的简单图例说起:

电路分析

图1 当信号源内阻Ro=10k时,输出Vout=5V

电路分析

图2 当信号源内阻Ro=1k 时,输出Vout=9V

电路分析

图3 两电路的输出波形(这里上下两个图是一样的,只为了贴近主题,特意将上图的Vout2反相)

我们看到,虽然两负载相同,但两信号源内阻Ro不同,其两输出电压也不同,也就是"输出不平衡"。而屏_阴分割倒相电路也基本上与此情况大致类似...。

简单电路的不简单

上面我们提到了一个很重要的电路参数“内阻”,这里我们从隔壁论坛里一帖中的电路开始说起(帖子与本主题无关,我只是借用其电路图),因为这个电路实物的参数与我使用软件中的模型数据(是123老师制作的模型)几乎完全吻合,见下图:

前级放大器电路

图4 6C11前级放大器

这是个极普通常见、简单的电压放大电路。

图中输出阻抗的计算为: Zout =(Vo-VL)/(VL/RL)=((Vo/VL) -1)×RL  ,测量和计算方法见下图:

阻抗测量

图5 输出阻抗的测量

现在我们对电路进行改动一下,即在阴极回路里也加上一个10k的电阻,于是电路变成了下图:

电路分析

图6 加上10k阴极电阻的电路图

大家可以看到此时在加了10k阴极电阻后,增益大幅下降,波形图中也可以看到输出V(out)幅值已是略小于输入V(in),也就是说放大系数还不到1。——这已完全就是屏_阴倒相的电路特征。

一只电阻改变的故事

上面我们了解到在电路加入10k阴极电阻后,输出电压Vout还小于输入电压Vin,放大系数不到1。至于这是何原因引起的,在此先不作深究。我们知道电路"阴极跟随器"的放大系数是不到1的,输出阻抗一般只有几百欧。那么,是否这个电路的输出阻抗也与"阴极跟随器"一样的低呢?我们还是来看看LTspice的实验:

还是用上面给出的"两次电压法",就是分别测出空载输出电压Vo和负载电压VL,然后按照公式:Ro=(Vo-VL)/(VL/RL)=((Vo/VL)-1)*RL 代入所测数据来计算其输出阻抗。见下图:

测试

图7 空载和负载的测试

然后将上面所测数据代入公式得输出阻抗为:Ro=((Vo/VL)-1)*RL=((6.0166V/3.0833V)-1)*10k=9.5k 。显然这输出阻抗并不是我们想象的象"阴极跟随器"那么低...

我们来继续进行最后的电路变动,就是给阴极也接上输出回路(实际上电路状态并没有变动),见下图:

负载电路

图8、屏极_阴极负载电路

显然,这已经就是一个完整、典型的屏_阴分割倒相电路了。

根据上面的实验计算结果屏极输出阻抗是9.5K的,而阴极的输出阻抗假设为1k,则刚好对应上开始时的电路实验及计算结果(见图1~图3)!那么,这个谁都看得出来"严重不平衡"的倒相电路还有什么用呢?为什么大名鼎鼎的"威廉逊放大器"和一些名机都还在采用这个电路呢?!

出乎意料的结果

现在已经是很接近主题的了...。让我们对这个“屏_阴分割倒相电路”再来重复一次上面的测试吧:

空载测试

图9 屏_阴分割倒相电路的空载测试

空载测试

图10 屏_阴分割倒相电路的负载测试

负载电阻=10k 可算是重负载的了吧...呵呵。将数据代入公式得出计算结果:

Z(out1)=((6.0166V/5.7313V)-1)*10k=0.498k

Z(out2)=((6.0385V/5.7454V)-1)*10k=0.510k 

计算的结果令人跌眼镜! 我们看到,上臂(屏极)的输出阻抗与下臂(阴极)的输出阻抗几乎相同,而且从数据来看,即使是带上10k这么重的负载,也没有引起输出电压的大幅跌落!从波形图来看也没有出现象图3那样的波形,也就是说上下臂的输出是平衡的。这真是令人感到意外!...

实践是检验真理的唯一标准

上面的测试和计算都说明了[屏_阴分割倒相电路]的上下臂的输出阻抗都同样很低,负载能力相同的很强,从数据和波形上看都没有什么不平衡的。这可能吗?! ...

看来只有向实物实验寻求答案了,大家肯定也想到了,这很容易做到的,也确实应该这样做...。下面就是实物实验图:

实验电路:6N3前放+6N3屏_阴倒相+2×6P14推挽功放机

电    阻:470K 2只和22K 2只

示 波 器:COS5021CH型双踪示波器

电路测试

图11 当负载为470K时(470K电阻是电路上的)

电路测试

图12 负载为470K的测量电路

电路测试

图13 当负载为470K//22K时(22K电阻是直接并接上的)

电路测试

图14 当负载为470K//22K的测量电路

说明:在加上22K时,保持着示波器的所有开关不动。说明在重负载情况下,屏极能力与阴极的能力一样,并没有出现上面图3的波形一高一低的结果,而且轻、重负载下的波形高度几乎未变。实物实验与上面的仿真结论相符。这个实验先后在不同的时间做了4次(其实1次就够了)。

这结果让人真难以相信,为此又用晶体管电路也做了实物实验,见下图:

电路原理图

图15 晶体管电路原理图

测试

图16 测量电路实物图(虽电路在旧板上简单吊炮式搭接,但却不影响运行测试)

负载

图17 50K负载波形图

15K负载

图18 1.5K负载波形图

很显然,晶体管的实验结果也是相同的,即轻、重负载下的波形高度几乎未变(这可证明电路的输出阻抗都很低),也没有出现波形一高一低的情况(这可证明电路上下臂输出的平衡)。

为了实验电路在频率高段的情况,特别又单独进行了一组20kHZ的试验,下面就是用20kHZ信号测试的结果:

负载波形

图19 负载=470k的波形(20kHZ)

负载波形

图20 负载=100k的波形(20kHZ)

负载波形

图21 负载=22k的波形(20kHZ)

负载波形

图22 并接22k电阻的实物图

示波器

图23 示波器各开关位置

下面是取消整机的大环路反馈的测试(20kHZ):

负载波形

图24 负载=470k的波形(取消反馈)

负载波形

图25 负载=22k的波形(取消反馈)

下面是不接功放的独立倒相电路的测试(20kHZ):

空载

图26 负载=空载_不接功放

负载

图27 负载=22k_不接功放

上面的测量方法和计算公式与常见的电压放大电路的计算方法貌似不同,甚至相去甚远,其计算结果也自然是大不一样,这正是我纠结的地方。为什么我命题为“...传说”,就是一贯以来,我们的课本和资料、老师及长辈都是使用后者的计算方法来说教和传递的。当我翻开斋虅彰英的《负反馈放大器》一书中关于“屏极阴极负载式倒相电路”第266页的分析时,也不知多少次对着那266页后面的计算结果发呆...(屏极输出阻抗=338千欧、阴极输出阻抗=1.7千欧)。因为它无法解释我所做的实验,无论是仿真还是实物的结果都对不上。而“两次电压法”及其计算公式却简单明了的解释了所有的实验结果。也正是因为如此,我有意躲开繁琐的公式计算,为了简单的说明问题,借助了LTspiceIV来作图解,尽量只作定性分析以及用图片为佐,避免落入"传说"之圈,图1、2、3电路的随意取值也纯粹是为了计算简单方便。

到此,我想我也不需要再描述和强调所有结果的正确与否,相反我非常真心的希望大家能找出一些错误的地方,比如“你漏了什么...”之类的等等(我绝对接受的,因为我可并不想总错下去,再者,我这些实验本身也缺乏着很全面的条件而因此难免有错)。另外,电工学是一门技术知识公开程度最高的学科,没有什么会被隐藏着的基础理论,我们能做的只有学习提高,再学习再提高。因此,我不可能用这些谁都可以了解到的东西来忽悠得了人,各位看官也完全可以自行实验的,这个实验很简单的,几乎每个人都可以进行。也不需要研究波形幅值具体大小多少,只须观查其上下臂(既屏、阴极)在重负载情况下以及音频20HZ-20KHZ范围内的两个波形是否一高一低便可说明问题。

我期待着您的结果......

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