Усилители на ПТ в режиме ограничения сигнала

Кроме усиления, каскады в гитарной электронике иногда должны еще и красиво ограничивать сигнал, оставляя его при этом музыкальным.

Характер ограничения выходного сигнала определяется в первую очередь выходными ВАХ используемых в ограничителе активных элементов: электровакуумных ламп, биполярных (БТ) или полевых (ПТ) транзисторов. Всенародная любовь к ламповым устройствам такого рода вызвана именно плавностью ограниченного лампой сигнала, что снижает уровень высокочастотных гармоник и продуктов интермодуляционных искажений. Наиболее жесткое ограничение формируют биполярные транзисторы, у которых, как известно, крутой переход из режима усиления в режим насыщения.

ПТ, имея ВАХ, подобную ВАХ пентода, занимают промежуточное положение между ламповыми триодами и биполярными транзисторами. Но использование динамической нагрузки, позволяет получить ограничение каскадов на ПТ, подобное ограничению лампового каскада.

Рассмотрим характер ограничения сигнала рассмотренными ранее каскадами на ПТ.

Рис.11. Выходной сигнал каскадов на ПТ.

Как видно из рисунка, форма сигнала на выходе классического каскада с резистором в качестве нагрузки плавно ограничена снизу и жестко – сверху (рис.11А). Спектр выходного сигнала содержит большое количество нечетных и четных высокочастотных гармоник (так называемый «песок»).

Гораздо более приятное ограничение сверху формирует каскад с динамической нагрузкой, схематично изображенный на рис.11Б. Эффект закругления верхней полуволны наблюдается из-за уменьшения µ верхнего ПТ при приближении сигнала на выходе к «+питания» (см.рис.3). Такой каскад в зависимости от типа ПТ обеспечивает усиление в линейной области от 20 (для ПТ с высоким напряжением отсечки U₀) до 400 (для ПТ U₀=0,3…0,4В). Использование ПТ с большим U₀ требует применения трех таких каскадов для обеспечения достаточного усиления, использование же ПТ с низким U₀ во-первых, ограничивает максимальную амплитуду положительного полупериода входного сигнала значением 0,6-0,8 вольт, во-вторых, формирует достаточно протяженную «линейную» область (от 0,05 до 0.95 напряжения питания). Т.е. переход от почти вертикальной части выходного сигнала к горизонтальной части, соответствующей полностью открытому или закрытому ПТ, происходит всего за 1/20 напряжения питания, что излишне увеличивает уровень высокочастотных гармоник в спектре выходного сигнала.

(Картинки ограничения сигнала полевыми транзисторами, моделированные в средах типа EWB или Multisim отдалено, но похожи на сигналы на экране реального осциллографа).

Наиболее мягко по форме выходной сигнал ограничивает каскад на составных ПТ по схеме каскода, схематично изображенный на рис.11В. Усиление такого каскада в линейной области (0,3-0,7Uпит) составляет до 3000 и более, плавно уменьшаясь до единиц при приближении рабочей точки на выходе к «+Uпит» или «земле». (Страшно и неудобно произносить эти слова, но ограничение такого каскада ничем не отличается от ограничения лампы с резистором в цепи катода и с резистивной нагрузкой. Для любителей ламп: плевки с мониторов лучше вытирать ватным тампоном, смоченным смесью 1:3 ректифицированного и гидролизного спиртов).