SRPP каскад: особенности работы и анализ схемы

Среди радиолюбительских разработок популярна схема SRPP (Shunt Regulated Push-Pull). Однако, мало кто понимает, что же это такое на самом деле. SRPP — это однотактный каскад с высоким выходным сопротивлением, который часто ошибочно принимают за двухтактный. Попробуем разобраться в его устройстве и работе. Для более глубокого понимания принципов построения ламповых усилителей можно изучить проект «Octopus». Ламповый SRPP усилитель для наушников.

Исходная схема и методика анализа

Для анализа возьмем схему SRPP из книги Моргана Джонса (стр. 237). В качестве тестового примера мы исключим конденсатор, шунтирующий катодный резистор, и добавим датчик тока R5 в верхнее плечо для точного измерения параметров.

При одинаковых параметрах ламп и одинаковых резисторах R3, R4 напряжение плеч по постоянному току автоматически выставляется поровну. То, что это не двухтактный каскад в полном смысле этого слова, понятно даже начинающему радиолюбителю, но нюансы работы переменного тока требуют детального рассмотрения.

Работа на холостом ходу и влияние нагрузки

Измерим токи плеч на холостом ходу:

Так как на холостом ходу переменного тока нагрузки через R4 нет, то каскад работает как классический однотактный: токи обоих плеч равны. Но ведь усилитель низкой частоты (УНЧ) не предназначен для работы на холостом ходу. Если посмотреть нагрузки SRPP в реальных схемах, то можно обнаружить широкий диапазон их значений — от нескольких десятков до сотен кОм.

Снижаем сопротивление нагрузки до тех пор, пока ток верхнего плеча не стабилизируется. В данном эксперименте это произошло при сопротивлении нагрузки, равном 33 кОм.

Убедимся в этом, сняв осциллограммы токов плеч:

Из осциллограмм токов плеч видно, что ток верхнего плеча не меняется и равен постоянной величине. При этом искажения, вносимые каскадом, по сравнению с работой на холостом ходу немного уменьшились. Продолжим нагружать усилитель до равенства токов плеч, то есть до псевдодвухтактного режима, близкого к настоящему двухтактному.

Анализ выходного сопротивления и искажений

Проведенный беглый анализ показал, что каскад SRPP имеет относительно высокое выходное сопротивление (в данном примере 6 кОм) и очень критичен к сопротивлению нагрузки. Например, известно, что входное сопротивление типовой двухтактной «двойки» Дарлингтона при работе на нагрузку 4 Ома может меняться от нескольких кОм до 80-100 кОм. Понятно, что при работе на такую нагрузку будет происходить модуляция звуковых частот самим сигналом с изменением коэффициента нелинейных искажений (Кг) в широких пределах.

В некоторых источниках можно встретить информацию, что каскад обладает повышенным коэффициентом усиления за счет встречной динамической нагрузки. На самом деле это не совсем так. Чтобы в этом убедиться, проведем сравнительный тест двух усилителей. Для сравнения можно взять и более простые конструкции, например, Усилитель на TDA2050 (20 Вт/4 Ом), чтобы оценить разницу в подходах к построению выходных каскадов.

Если посмотреть параметры простого каскадного включения ОК-ОА (общий катод — общая анодная), то нетрудно убедиться, что такая конфигурация имеет более низкое выходное сопротивление (150 Ом против 6 кОм у SRPP), стабильный коэффициент усиления при изменении сопротивления нагрузки в широких пределах и стабильный Кг, практически не зависящий от сопротивления нагрузки.

Если в качестве нагрузки использовать резистор сопротивлением 100 кОм, то в таком случае мы имеем одинаковые коэффициенты усиления УНЧ по 25 дБ, но УНЧ на основе SRPP вносит искажения в 1,5 раза (на 3 дБ) большие.

Влияние шунтирования катодного резистора

По результатам анализа можно сделать вывод, что недостатков у каскада SRPP гораздо больше, чем достоинств. Единственное достоинство — это выше КПД, так как усиление и согласование со следующим каскадом решается одним каскадом, хоть и неудовлетворительно. Но для усилителя звуковой частоты это не имеет никакого значения.

Псевдодвухтактный режим по переменному току, близкий к двухтактному, получается только при определенном сопротивлении нагрузки. Только в этом режиме искажения каскада минимальны, но при этом падает коэффициент передачи, а выходное сопротивление так и остается высоким, тем самым остается опасность модуляции усиливаемого сигнала.

В примере Моргана Джонса катодный резистор нижней лампы зашунтирован конденсатором. Посмотрим, что это дает.

При шунтировании нижнего катодного резистора конденсатором имеем более низкое выходное сопротивление (2,5 кОм против 6 кОм без конденсатора) и достаточно высокий и мало зависящий от нагрузки коэффициент усиления. Если сравнить классический SRPP с каскадным включением ОК-ОА, то искажения, вносимые SRPP, примерно в 3 раза выше на любой нагрузке.

Анализ провел: Александр Петров, 12.12.16.