granice wzmocnienia wzmacniacza lampowego

Uczmy się radiotechniki
"Granice wzmocnienia wzmacniacza lampowego"
Radioamator 12/1952

     Przypomnijmy sobie w krótkości wszystkie nasze dotychczasowe wiadomości na temat wzmacniacza napięciowego.
     Rozpatrywaliśmy w poprzednich artykułach lampę trójelektrodową (triodę) w układzie oporowym, pracującą jako wzmacniacz napięciowy. Jest to układ najczęściej stosowany w praktyce, dlatego że jest najtańszy w budowie i pod względem jakości wzmocnienia dający najlepsze rezultaty.
     Wykazaliśmy, że trioda w tym układzie wzmacnia kilkadziesiąt razy. Wzmocnienie napięciowe zależy od współczynnika amplifikacji lampy: µ i nie może w żadnym przypadku przekroczyć tej wartości.
     Przy projektowaniu wzmacniacza oporowego z triodą musimy zwracać szczególną uwagę na to, aby opór anodowy R_a, na który lampa pracuje, był kilkakrotnie większy od oporu wewnętrznego lampy: R_i.
     Najkorzystniejsze warunki pracy otrzymamy, jeżeli opór anodowy R_a dobierzemy cztery - względnie pięciokrotnie większy od oporu wewnętrznego lampy: R_i. W tych optymalnych warunkach pracy lampy, wzmocnienie napięciowe wynosi 0,8µ, czyli jest o 20% mniejsze od współczynnika amplifikacji lampy. Ponieważ wartość współczynnika amplifikacji, lampy przeciętnego typu (triody), wynosi około 30, wobec tego wzmocnienie napięciowe jednego stopnia lampowego z triodą jest rzędu 25. Chcąc otrzymać większe wzmocnienie musimy zaprojektować wzmacniacz dwu - względnie trzystopniowy. Przy dwustopniowym (dwulampowym) wzmacniaczu, wzmocnienie całkowite będzie 25x25=625 krotne, natomiast trzystopniowy wzmacniacz, pracujący na triodach, da nam wzmocnienie 25x25x25=15625 krotne. Przykładając do zacisków wejściowych takiego wzmacniacza napięcie zmienne o amplitudzie np. 1 miliwolta (jednej tysięcznej wolta) otrzymamy na zaciskach wyjściowych wzmacniacza napięcie o amplitudzie 15625 razy większej, to jest 15,6 wolta, oczywiście pod warunkiem, że wzmacniacz nasz jest zdolny do "przerobienia" tak dużego napięcia.
     Wiemy z ostatniego artykułu, że lampa ogranicza amplitudy napięcia wyjściowego o ile przekroczą one odpowiednią wartość.
     Maksymalne nie zniekształcone napięcie wyjściowe wzmacniacza oporowego zależy od napięcia zasilającego końcową lampę U_Ba. U_Ba jest napięciem baterii anodowej, względnie prostownika zasilającego. Przy optymalnie dobranym ujemnym napięciu siatkowym końcowej lampy wzmacniacza (triody) można praktycznie przyjąć, że maksymalna amplituda napięcia wyjściowego w układzie oporowym jest rzędu jednej trzeciej napięcia zasilającego, czyli: U_m=1/3U_Ba. Wzmacniacz napięciowy możemy porównać do mikroskopu, który daje określone powiększenie obrazu. Każdy mikroskop posiada jednak ograniczone pole widzenia. Jeżeli obiekt obserwowany pod mikroskopem jest zbyt duży w stosunku do zdolności powiększających mikroskopu, wówczas jego obraz widziany przez okular nie mieści się całkowicie w polu widzenia mikroskopu, czyli inaczej mówiąc, pole widzenia ogranicza wzgl. "obcina" obraz obserwowany (Patrz rys.1). Podobnie wzmacniacz "obcina" amplitudy wzmocnionego napięcia o ile są one zbyt duże w stosunku do całkowitego wzmocnienia wzmacniacza. (Patrz rys.2). Analogie między wzmacniaczem i mikroskopem możemy posunąć jeszcze dalej.


Rys.1. Mikroskop obcina powiększony obraz	Rys.2.Wzmacniacz obcina powiększoną krzywą napięcia

     Zapewne wszyscy czytelnicy wiedzą, że mikroskopem optycznym nie możemy otrzymać dowolnie dużego powiększenia, że istnieje pewna granica powiększenia. Zbyt małych przedmiotów, np. niektórych bakterii nie można zobaczyć pod mikroskopem optycznym i to nie dlatego, że nie potrafimy skonstruować optycznych mikroskopów o tak dużej zdolności powiększenia, lecz po prostu dlatego, że zbyt drobne przedmioty przestają być widzialne pod mikroskopem optycznym, choćby mikroskop ten posiadał nie wiem jak dużą zdolność powiększenia. Wynika to stąd, że w mikroskopie optycznym czynnikiem, który rysuje powiększony obraz przedmiotu obserwowanego, jest promień względnie wiązka promieni świetlnych wychodzących ze źródła światła umieszczonego pod obserwowanym "obiektem". Otóż kontury przedmiotu obserwowanego w powiększeniu są ostre jedynie wtedy, kiedy wielkość "obiektu" obserwowane jest większa od długości fali świetlnej tych promieni, które przedmiot prześwietlają wzgl. naświetlają. Przedmioty mniejsze od długości fali świetlnej światła, którym się posługujemy nie stanowią dla promieni świetlnych żadnej przeszkody a więc nie mogą być przez promienie świetlne rzutowane. Nie dają one żadnego cienia. Wiemy, że długość fal promieni widzialnych zawiera się w granicach 0,4-0,8 mikrona (1 mikron = jedna tysięczna milimetra). Wobec tego najmniejszy przedmiot mogący być dostrzeżony pod mikroskopem jest rzędu wielkości 0,5 mikrona. Cały świat drobnoustrojów mniejszych od 0,5 mikrona usuwa się z pod obserwacji optycznej przy pomocy mikroskopu, mimo że technicznie istnieje możliwość budowy mikroskopów o zdolności powiększenia większej znacznie od 1000-krotnej. Dlaczego o tym wspominamy? Ponieważ również i pod tym względem istnieje pewna analogia między mikroskopem a naszym wzmacniaczem lampowym. (Mowa jest tutaj jedynie o mikroskopie optycznym a nie mikroskopie elektronowym, który pozwala na znacznie większe powiększenie dzięki temu, że zamiast promieni świetlnych zastosowano w nim promienie elektronów). Teoretycznie można budować wzmacniacze wielostopniowe o nieograniczonej ilości stopni lampowych, a więc o nieograniczenie wielkim wzmocnieniu. Czy jednak praktycznie z tej możliwości możemy korzystać? Czy też istnieje może czynnik, podobnie jak przy mikroskopie optycznym, który uniemożliwia praktyczne wykorzystanie wzmacniacza o zbyt dużym wzmocnieniu? Względnie czyni to wzmocnienie iluzorycznym? Rzeczywiście czynnik taki istnieje, a jest nim atomowa struktura elektryczności.
     Elektryczność składa się jak wiemy z ładunków elementarnych, z "atomów" elektryczności, nazwanych elektronami.
     Zbudujmy np. 4-stopniowy wzmacniacz lampowy a wzmocnienie tego wzmacniacza będzie już tak duże, że w załączonym do niego głośniku usłyszymy szum, mimo, że siatkę pierwszej lampy wzmacniacza uziemimy. Zwiększając jeszcze wzmocnienie, możemy doprowadzić szum ten do takiej głośności, że będzie na nas robił wrażenie szumu potężnego wodospadu. Rzeczywiście to co słyszymy w głośniku jest szumem lecz nie strumienia wody spadającej z dużej wysokości, lecz szumem strumienia elektronów "spadających" z katody pierwszej lampy wzmacniacza na przeciwległą anodę. Że jest to szum pochodzący z pierwszej lampy wzmacniacza łatwo się o tym przekonać wyjmując z podstawki pierwszą lampę. Szum natychmiast zmaleje. Pozostały szum, jeżeli będzie jeszcze słyszalny, pochodzi z następnej z kolei lampy.

Rys.3. Wzmacniacz o zbyt dużym wzmocnieniu szumu

Na rys.3 narysowany jest wzmacniacz, który "optycznie" przedstawia przebiegi zachodzące w lampach. Każda następna lampa wzmacniacza "wzmacnia" jak wiemy przebiegi elektryczne, czyli działa jak pewnego rodzaju soczewka powiększająca w mikroskopie. Nakładając na siebie kilka takich soczewek, widzimy przedmiot obserwowany w coraz większym powiększeniu. Łącząc szeregowo stopnie lampowe w wzmacniaczu słyszymy w załączonym głośniku coraz wyraźniej to co się dzieje w stopniach poprzednich wzmacniacza, czyli "obserwujemy" akustycznie pierwszą lampę w coraz większym powiększeniu. Przy dostatecznie dużym "powiększeniu" słyszymy jak szumią elektrony w pierwszej lampie. Ponieważ szum lampy podobny jest do szumu jaki wydaje również śrut sypany np. na gładką powierzchnię stołu, przeto efekt ten nazywamy "efektem śrutowym". Szum wywołany efektem śrutowym w lampie, a którego właściwą przyczyną jest atomowa struktura prądu anodowego zależny jest od wielkości tego prądu. Lampy o dużym prądzie anodowym szumią więcej od lamp o małym prądzie anodowym. Szum lampy zależy ponadto od rodzaju lampy. Pentody, ogólnie biorąc lampy wieloelektrodowe, szumią na ogół więcej od triod. Ładunek przestrzenny w lampie łagodzi nieco szumy lampy. Lampy pracujące z dużym ujemnym napięciem siatkowym szumią mniej od lamp, których prąd anodowy jest bliski prądowi nasycenia. Przez odpowiednią konstrukcję siatek w lampie wielosiatkowej można również wpłynąć korzystnie na szumy lampy. Dla wzmacniaczy mikrofonowych buduje się specjalne lampy mało-szumne, popularnie zwane "bezszumnymi". Szum tych lamp, w stosunku do normalnych typów lamp, jest znacznie mniejszy i może być pominięty w stosunku do innego rodzaju szumu, o którym będzie zaraz mowa. Nie tylko bowiem prąd anodowy płynący przez lampę powoduje szum w głośniku przy odpowiednim dużym wzmocnieniu wzmacniacza, lecz w znacznie większym stopniu szumią oporniki. Szczególnie wyraźnie słychać przy dużym wzmocnieniu szum opornika załączonego między siatkę i katodę pierwszej lampy wzmacniacza (Rys.4). Szum ten niczym się nie różni od szumu prądu anodowego, który nazwaliśmy poprzednio szumem efektu śrutowego. Skąd pochodzi ten drugi rodzaj szumu? Dlaczego opornik szumi? Przyczyną tego szumu, który nazywamy "szumem termicznym" są również elektrony, tylko nie te elektrony, które płyną przez lampę, z katody do anody, lecz te elektrony, które znajdują się w każdym przewodniku. Wiemy, że cechą każdego przewodnika elektryczności jest to, że między atomami, z których każdy przewodnik jest zbudowany znajdują się "swobodne" elektrony. Elektrony te nie są w spoczynku lecz jak wiadomo wykonują pewnego rodzaju taniec, będąc w ustawicznym ruchu. Energia kinetyczna tego ruchu zależna jest od temperatury w jakiej się przewodnik znajduje. Im wyższa temperatura, tym większa intensywność ruchu elektronów. Rzecz przedstawia się tak samo jak w ulu pszczelnym. Jeżeli przyłożymy ucho do ula pełnego pszczół (ostrożnie!) to usłyszymy szum roju pszczół. Chcąc usłyszeć szum roju swobodnych elektronów w oporniku elektrycznym musimy przyłożyć opornik ten do zacisków naszego mikroskopu elektroakustycznego, jakim jest nasz wzmacniacz o dużym wzmocnieniu, to znaczy przyłożyć opornik między siatkę i katodę pierwszej lampy wzmacniacza. Wówczas "rój" elektronów w oporniku siatkowym wywołuje między katodą i siatką lampy minimalne wahania napięcia, które spotęgowane przez wzmacniacz dają w efekcie w załączonym do wzmacniacza głośniku "szum". Jest to jak już wspominaliśmy szum "termiczny" opornika siatkowego.

Rys.4. Opór wejściowy wzmacniacza szumu

Jeżeli zamiast głośnika szumiącego załączymy na wyjściu wzmacniacza woltomierz napięcia zmiennego, tak zwany "output-meter", to możemy zmierzyć wielkość napięcia tego szumu. Woltomierz wskaże nam pewne napięcie. Jeżeli napięcie to podzielimy przez stopień wzmocnienia naszego wzmacniacza możemy obliczyć wielkość napięcia szumu na zaciskach samego opornika siatkowego. Zachodzi teraz pytanie jakie duże jest tego rodzaju napięcie szumu "termicznego" i od czego ono zależy? Doświadczenia wykazały, że napięcie szumu termicznego zależne jest od temperatury "absolutnej" opornika, lecz nie tylko od temperatury. Są jeszcze dalsze czynniki, od których szum ten zależy. Jedyny z tych czynników jest szerokość widma akustycznego jakie wzmacniacz przenosi. Im widmo to jest szersze tym większe będzie napięcie szumu zmierzonego na końcu wzmacniacza. Tłumaczy się to tym, że w szumie termicznym wytwarzanym przez opornik zawarte są wszystkie częstotliwości od najniższych do najwyższych, teoretycznie od zera do nieskończoności. Z tego całego widma szumu wzmacniacz radiowy wzmacnia wszystkie częstotliwości zawarte w paśmie od 50Hz do około 10000Hz. Jest rzeczą jasną, że woltomierz załączony na końcu wzmacniacza zmierzy nam napięcie, które jest mieszaniną napięć o różnych częstotliwościach składowych szumu. Im szersze jest więc widmo akustyczne przenoszone przez wzmacniacz tym większe będzie napięcie mierzonego szumu. Poza tym doświadczenia wykazały, że wielkość szumu opornika zależy od wielkości jego oporu elektrycznego. Im większa wartość oporu, tym opornik więcej szumi. Żeby nie nudzić czytelnika długimi wywodami teoretycznymi podajemy gotowy wzór na wielkość napięcia szumu termicznego opornika:

We wzorze tym należy podstawić "R" w , T - w stopniach absolutnych czyli w stopniach Kelwina (T=t^oC+273^oC ) f - w Hz czyli cyklach na sekundę (f - szerokość widma akustycznego. Temperaturze pokojowej 20^oC odpowiada temperatura absolutna: 20^o+273^o=293^oK. Podstawiając tą wartość do wzoru 1) oraz wyłączając współczynnik liczbowy przed pierwiastek, otrzymamy wzór uproszczony na obliczanie napięcia szumu oporników:

We wzorze tym należy podstawić wartość oporu R - w kiloomach, szerokość zaś przenoszonej przez wzmacniacz wstęgi akustycznej f - w kilocyklach na sekundę. Wynik otrzymamy w mikrowoltach. Najczęściej między siatką a katodą lampy załączony jest opór siatkowy o wielkości 0,5M, czyli 500K. W paśmie o szerokości 10KC/sek napięcie szumu na zaciskach tego oporu w temperaturze pokojowej wynosi:

Uważny czytelnik zauważył z pewnością, że we wzorze 1) nie występuje żadna stała zależna od materiału, z którego opornik jest wykonany. Wynika stąd, że szum opornika zależny jest jedynie od wartości oporu i od temperatury, natomiast nie zależy od sposobu wykonania opornika. Wzór 2) określający wielkość szumów opornika odnosi się do oporników metalowych, względnie do oporników wykonanych z materiału o jednolitej strukturze atomowej. Oporniki warstwowe, wykonane przez nałożenie cienkiej warstwy np. grafitu na rurkę porcelanową, szumią bardziej od oporników masowych, wskutek niejednorodności warstwy przewodzącej. W praktyce zatem napięcie szumów, występujące na zaciskach oporu, jest większe od napięcia obliczonego według wzoru 2). Opór siatkowy 0,5M załączony między siatką i katodą pierwszej lampy wzmacniacza działa podobnie jak generator wytwarzając na swoich zaciskach napięcie szumów o wielkości rzędu 10 mikrowoltów. To właśnie napięcie szumów oporu siatkowego lampy ogranicza stopień wzmocnienia wzmacniacza. Nasz 3-stopniowy wzmacniacz o wzmocnieniu, które na początku obliczyliśmy, mianowicie 15625-krotnym, wzmocni napięcie szumu do wartości 0,156V. Dodanie jeszcze jednego stopnia wzmocnienia powiększyłoby nam napięcie szumu jeszcze 25-krotnie, czyli dałoby w rezultacie napięcie szumu 3,91V. Jasne jest, że szum termiczny oporu siatkowego pierwszej lampy uniemożliwia praktycznie wykorzystanie możliwości technicznych wzmocnienia napięciowego przy pomocy wzmacniaczy lampowych. Inaczej mówiąc napięcie szumów termicznych oporów wejściowych wzmacniaczy uniemożliwia wzmocnienie napięć mniejszych od napięcia szumów jakie występują na zaciskach oporu wejściowego wzmacniacza. Wzór 2) pozwala na obliczenie napięcia szumu na zaciskach wejściowych wzmacniacza jeżeli znany jest opór wejściowy generatora załączonego do wzmacniacza. Generatorem naszym może być mikrofon, adapter gramofonowy, wzgl. inne źródło napięcia zmiennego. Należy jednak pamiętać, że opór R występujący we wzorze 2) jest to opór dla prądów zmiennych w zakresie częstotliwości przekazywanych przez wzmacniacz. Jeżeli np. mikrofon o oporze 200 załączymy do wzmacniacza za pośrednictwem transformatora o przekładni 1:10, to opór mikrofonu widziany po stronie wtórnej transformatora będzie 10² razy większy od 200 czyli wynosić będzie 100x200=20000. Tą właśnie wartość należy wstawić do wzoru 2) przy obliczaniu napięcia szumu na zaciskach wejściowych wzmacniacza. Dotychczas zajmowaliśmy się obliczaniem szumu pochodzącego z oporów wejściowych wzmacniacza nie uwzględniając zupełnie szumu prądu anodowego pierwszej lampy, czyli szumu efektu śrutowego. Szum ten dodaje się do szumu termicznego oporu wejściowego, tak, że w sumie otrzymujemy szum większy od obliczonego na podstawie wzoru 2). Jak uwzględnić jednak szum efektu śrutowego pierwszej lampy? Ponieważ jak już o tym wspomnieliśmy, charakter szumu śrutowego jest taki sam jak charakter szumu termicznego, wobec tego postanowiono mierzyć szum lampy, spowodowany efektem śrutowym, równoważnym oporem siatkowym. Tak np. równoważny opór szumu lampy EF8, wynosi 4000, to znaczy, że szum lampy wywołany prądem anodowym jest taki sam jak szum wywołany oporem siatkowym 4000 załączonym między siatkę i katodę tej lampy. Opór równoważny szumu lampy dodaje się szeregowo do oporu wejściowego wzmacniacza przy obliczaniu wypadkowego napięcia szumu wzmacniacza. Gdybyśmy np. chcieli obliczyć napięcie wypadkowe szumu na zaciskach naszego wzmacniacza, do którego załączyliśmy mikrofon 200-omowy przy zastosowaniu transformatora o przekładni 1:10, i pracującego na lampie pierwszej typu EF8, musielibyśmy podstawić do wzoru 2) opór R równy 20000+4000=24000. Chcąc zmniejszyć możliwie szum wywołany prądem anodowym lampy, należy stosować w pierwszym stopniu wzmocnienia lampy "bezszumne" o małym oporze szumów. Lampa typu EF8 należy do tego rodzaju lamp, jednak istnieją jeszcze lepsze pod tym względem lampy. Np. lampa EF50, której równoważny opór szumów wynosi 1400 i lampa specjalna EFF51 o oporze szumów zredukowanym do 600.
Przy projektowaniu pierwszego stopnia wzmacniacza mikrofonowego zagadnienie szumów jest zagadnieniem podstawowym, na które należy zwrócić szczególną uwagę. Znając równoważny opór szumów lampy, który podany jest zwykle w katalogach lampowych oraz znając opór źródła napięcia, które mamy zamiar załączyć do naszego wzmacniacza (np. mikrofon 200 omowy) projektujemy transformator wejściowy o takiej przekładni, aby opór źródła widziany od strony zacisków względnie kilka-pierwszej lampy był kilkanaście względnie kilkadziesiąt razy większy od równoważnego oporu szumu lampy. Stosując transformator wejściowy o przekładni podwyższającej zwiększamy napięcie użyteczne pochodzące z mikrofonu w stosunku do napięcia szumu lampy. Transformator wejściowy korzystnie wpływa na polepszenie stosunku napięcia użytecznego do napięcia szumu samej lampy, natomiast nie ma żadnego wpływu na poprawienie warunków pracy samego mikrofonu, to znaczy nie polepsza stosunku między napięciem użytecznym mikrofonu, a napięciem szumów termicznych samego mikrofonu. Normalnie stosowane transformatory wejściowe wzmacniaczy mikrofonowych posiadają przekładnie od 1:10 do 1:20. Opór mikrofonu 200 zostaje przeniesiony na stronę wtórną transformatora z wartością 200x100=20000 względnie 200x20x20=200x400=80000. W stosunku do oporów szumu lampy np. 4000 (EF8) są to opory bardzo duże, wskutek czego szumy samej lampy są do pominięcia w stosunku do szumu samego mikrofonu. Żeby jednak i te szumy nie przeszkadzały przy normalnej audycji mikrofonowej powinien mikrofon posiadać dostateczną czułość, to znaczy powinien wytwarzać na swoich zaciskach napięcie użyteczne przynajmniej 100 względnie 1000 razy większe od napięcia szumów termicznych. Dla oporu 200 otrzymujemy z wzoru 2) napięcie szumów rzędu 0,2mV. Wobec tego mikrofon 200 omowy powinien wytwarzać na swoich zaciskach napięcie użyteczne rzędu 0,1÷0,2mV o ile chcemy aby poziom szumów był dostatecznie niski.

[artykuły][teoria]