Усилитель с непосредственной связью каскадов на лампах. Обзор схемотехники ламповых усилителей: от простых каскадов до сложных конфигураций

Какие основные типы ламповых усилительных каскадов существуют. Как устроены усилители с непосредственной связью на лампах. В чем особенности и преимущества различных схем ламповых усилителей.

Эволюция ламповых усилительных каскадов

Ламповая схемотехника прошла долгий путь развития, в ходе которого были разработаны различные типы усилительных каскадов. Рассмотрим основные вехи этой эволюции:

• Простой резистивный каскад на триоде
• Каскодная схема
• СРПП (шунтовый регулируемый двухтактный каскад)
• Усиленный СРПП
• μ-каскад
• μ-каскад с непосредственной связью

Каждая последующая схема обладала улучшенными характеристиками, но при этом усложнялась конструкция. Рассмотрим подробнее особенности и преимущества этих каскадов.

Простой резистивный каскад на триоде

Это базовый вариант лампового усилительного каскада. Он содержит минимум элементов:

• Триод
• Резистор анодной нагрузки
• Резистор катодного автосмещения
• Резистор утечки сетки

Коэффициент усиления такого каскада обычно составляет 0,6-0,8 от μ лампы. Основное ограничение — противоречие между различными параметрами. Например, для повышения линейности нужно увеличивать анодную нагрузку, но это ухудшает частотные и динамические характеристики.

Каскодная схема

Каскод позволяет значительно повысить усиление и широкополосность по сравнению с обычным триодным каскадом. Он состоит из двух ламп, соединенных последовательно. Нижняя лампа работает в режиме с общим катодом, а верхняя — с общей сеткой.

Преимущества каскода:

• Более высокий коэффициент усиления
• Лучшая частотная характеристика
• Меньшая чувствительность к паразитным емкостям

Однако выходные характеристики каскода ближе к пентодным, что не всегда желательно для аудиоприменений.

СРПП (шунтовый регулируемый двухтактный каскад)

СРПП представляет собой усовершенствованный вариант простого триодного каскада. Вместо обычного резистора анодной нагрузки используется динамическая нагрузка на второй лампе.

Основные особенности СРПП:

• Более высокое динамическое сопротивление нагрузки
• Повышенная линейность
• Улучшенная стабильность режима
• Пониженное выходное сопротивление

СРПП позволяет получить лучшие характеристики без значительного усложнения схемы.

Усиленный СРПП

Дальнейшее развитие идеи СРПП привело к созданию усиленного варианта. В нем сигнал на сетку верхней лампы подается через отдельную цепь связи. Это позволяет:

• Еще больше повысить коэффициент усиления
• Приблизить усиление к μ нижней лампы
• Улучшить линейность
• Снизить выходное сопротивление

Усиленный СРПП часто называют «μ-повторителем» из-за высокого коэффициента усиления.

μ-каскад

μ-каскад представляет собой дальнейшее усовершенствование усиленного СРПП. Основные отличия:

• Использование пентода в качестве верхней лампы
• Раздельное задание режимов для триода и пентода
• Применение источника стабильного тока в качестве анодной нагрузки триода

Это позволяет получить еще более высокие характеристики:

• Коэффициент усиления практически равен μ нижней лампы
• Очень низкое выходное сопротивление (порядка 100 Ом)
• Большой размах выходного сигнала
• Широкая полоса пропускания (до 1 МГц)

μ-каскад с непосредственной связью

Это наиболее совершенный вариант μ-каскада. Его особенности:

• Гальваническая связь между анодом триода и сеткой пентода
• Плавающий стабилизированный источник питания для экранной сетки пентода
• Отсутствие разделительных конденсаторов в сигнальном тракте

Преимущества такой схемы:

• Еще более низкое выходное сопротивление (80 Ом)
• Больший размах выходного напряжения
• Расширенный частотный диапазон в области низких частот

Особенности двухтактных ламповых усилителей

Для повышения выходной мощности в ламповых усилителях часто применяют двухтактные каскады. Их особенности:

• Необходимость получения двух противофазных сигналов
• Применение фазоинверсных каскадов различных типов
• Возможность работы в экономичном классе AB

Основные типы фазоинверсных каскадов:

1. Отдельный инвертирующий каскад
2. Автобалансный фазоинвертор
3. Фазоинвертор с катодной связью
4. Фазоинвертор с разделенной нагрузкой

Выбор конкретной схемы зависит от требований к усилителю и доступной элементной базы.

Усилители с непосредственной связью

Отдельный интерес представляют ламповые усилители с непосредственной связью между каскадами. Их преимущества:

• Отсутствие разделительных конденсаторов в сигнальном тракте
• Расширенный частотный диапазон в области низких частот
• Улучшенная передача переходных процессов

Однако такие схемы сложнее в настройке из-за взаимозависимости режимов каскадов по постоянному току.

Заключение

Ламповая схемотехника предоставляет широкие возможности для создания высококачественных усилителей звука. При этом важно найти оптимальный баланс между сложностью схемы и получаемыми характеристиками. Даже относительно простые схемы при правильной реализации могут обеспечить отличное звучание.

Выбор конкретного схемотехнического решения зависит от многих факторов:

• Требований к параметрам усилителя
• Доступной элементной базы
• Опыта разработчика
• Бюджета проекта

В любом случае, понимание принципов работы различных ламповых каскадов позволяет создавать оригинальные конструкции с уникальными характеристиками.

Акробатика ламповых каскадов

Все, кто хоть немного знаком с ламповой схемотехникой, знают, что ламповые усилительные каскады отличаются, как правило, предельной простотой и малым количеством элементов. Этот фактор наряду с природной линейностью ламп обычно и приводится в качестве аргумента при попытке объяснить феномен превосходства лампового звука над транзисторным. Надо признать, что подобное объяснение весьма убедительно с точки зрения здравого смысла. Кроме того, оно настолько часто подтверждается на практике при схемотехническом анализе самых лучших ламповых аудиокомпонентов, что мало кому приходит в голову пытаться его оспаривать. Основной девиз у разработчиков ламповой техники таков: чем проще, тем лучше и надежнее (к сожалению, понятие «дешевле» сюда не входит, хотя по логике вещей вроде бы напрашивается само собой). Итак, посмотрим на обычный маломощный резистивный усилительный каскад на триоде с общим катодом. Резистор анодной нагрузки, резистор катодного автосмещения, резистор утечки сетки да сам триод — вот, собственно, и весь каскад. Точнее, его базовый вариант (рис.1).

Рис. 1

Остальное — это уже либо элементы связи с другими каскадами, либо блокировка местной отрицательной обратной связи по току (шунтирование катодного резистора конденсатором), либо делитель в катодной цепи для более сложной организации смещения, либо развязывающие фильтры по цепям питания, либо цепи коррекции. Обычно даже наличие всех этих дополнительных компонентов не делает ламповый каскад усиления намного сложнее, чем то, что мы видим на рис.1. Все предельно понятно и просто (на первый взгляд). Известно, что коэффициент усиления каскада в середине частотного диапазона равен (при отсутствии местной отрицательной обратной связи): K=-R_a/(R_i+R_a) (с учетом входного сопротивления следующего каскада R_вх.2 вместо R_a используется R_н.экв=R_a||R_вх.2, а выходное сопротивление Z_вых=R_i, где =SR_i — коэффициент усиления лампы по напряжению; S — крутизна; R_i — внутреннее сопротивление лампы; R_a — сопротивление анодной нагрузки.

Известно, что для такого триодного каскада реальный коэффициент усиления обычно составляет (0,6-0,8) и зависит от величины R_a, как и другие параметры каскада: ток покоя, полоса частот, скорость нарастания выходного напряжения, линейность, максимальное неискаженное выходное напряжение, максимальный выходной ток. Обычно R_a в несколько раз превышает R_i, при этом удается получить приемлемые величины перечисленных параметров. Но возможности каскада на триоде ограничены, и поскольку в погоне за каким-то одним параметром обычно страдают другие, не менее важные, то степень свободы варьирования величинами сопротивлений анодной нагрузки и катодного автосмещения невелика. То же самое можно сказать в отношении напряжения анодного питания и тока покоя, поскольку почти все лампы лучше всего «звучат» на грани допустимой мощности рассеяния на аноде (хотя и не всегда). Впрочем, даже в этих относительно узких «пределах творчества» не так легко бывает найти оптимальный режим работы конкретной лампы в конкретном каскаде с учетом предыдущего и последующего каскадов. Под оптимальным в данном случае понимается тот режим, который обеспечит наилучшее звучание, а не рекордные параметры или красивые осциллограммы. Может быть, именно взаимное противоречие различных параметров усилительного каскада и неоднозначность их зависимости от одних и тех же факторов и являются причиной слабой корреляции между цифровыми значениями этих параметров и качеством звука. Так, если гнаться за максимальной линейностью, приходится повышать величину анодной нагрузки, что, начиная с некоторого ее значения, будет отрицательно сказываться на ширине полосы частот, динамических свойствах каскада, да и коэффициенте усиления, который при непомерно большом сопротивлении нагрузки начинает уменьшаться, поскольку уменьшается ток покоя и крутизна лампы. Кроме того, и перегрузочная способность каскада при этом резко падает. Таким образом, цена за сверхвысокую линейность оказывается также непомерно высокой, поскольку приходится платить качеством звучания устройства в целом. Получается, что мы платим качеством звука за линейность, а не наоборот, как это должно быть. Это напоминает басню Крылова «Лебедь, рак и щука», только лебедь в данном случае — не птица (и не генерал), а коэффициент усиления, рак — линейность каскада, а щука… Одним словом, воз и ныне там. Там, где эти несговорчивые персонажи находятся в относительном мире и согласии. Поэтому если один каскад на триоде не может обеспечить необходимого усиления, приходится ставить второй. А с целью получения хороших динамических свойств иногда приходится довольствоваться скромным усилением, уменьшая величину анодной нагрузки и увеличивая ток покоя каскада. Даже в самом простом усилительном каскаде всплывает очень много тонкостей и трудно объяснимых явлений , когда дело доходит до «страшного суда» — прослушивания.

Итак, обобщим: в усилительном каскаде на ламповом триоде различные параметры, каждый из которых оказывает ощутимое влияние на качество звука всего устройства, находятся во взаимном противоречии, и излишнее рвение при «вытягивании» какого-то одного из этих параметров неизбежно приводит к ухудшению других. Однако есть способ вырваться из этого замкнутого круга. Ведь до сих пор речь шла о каскаде усиления на одном триоде. А если объединить два триода в одном и том же каскаде? Это, конечно, идет в разрез с концепцией максимальной простоты, но иногда вместо того, чтобы пойти на увеличение количества простейших каскадов, можно решить ту же проблему путем усложнения (причем не очень значительного) одного каскада. В зависимости оттого, какая именно ставится задача, можно выбрать один из вариантов такого усложненного каскада на двух триодах. Надо сказать, что всего их существует достаточно много и придумали их давным-давно. Например, каскод (рис.2) позволяет резко повысить усиление и одновременно широкополосность, в связи с чем, наряду с пентодами, нашел широкое применение в теле- и радиоприемных устройствах. Отдельные известные во всем мире High End’ фирмы применяют каскоды и в устройствах усиления звуковых частот (например, Sonic Frontiers).

Рис. 2

Можно спорить о целесообразности применения каскодов в аудиоаппаратуре, и противники этого обычно ссылаются на то, что выходные характеристики каскодов вырождаются из триодных в пентодные. Да, это так. Но ведь и пентоды не всегда плохи — это вопрос скорее не что применять, а как и где. Несомненно, что в большинстве случаев триод предпочтительнее, но в отдельных цепях (чаще всего вспомогательных) пентод не имеет себе равных. Так, например, благодаря высоким и R_i пентод не имеет себе равных в источниках стабильного тока, если не считать полевые транзисторы с изолированным затвором. Но это уже совсем другой мир, и хотя такие фирмы, как Audio Research, достигли определенного успеха в разработке и внедрении гибридной топологии, у меня лично нет сомнений по поводу того, что если бы вместо MOSFET’ов применялись пентоды, многие изделия этой фирмы звучали бы намного музыкальнее. А вспомним профессиональные магнитофоны золотой эры магнитной звукозаписи 50-х и 60-х годов (например, Telefunken). Многие из них в первом каскаде усилителя воспроизведения имели пентод EF86 (аналог 6Ж32П).

Но вернемся от попыток амнистирования осужденных пожизненно многими аудиофилами пентодов к непорочным триодам. Следующий каскад, который мы рассмотрим, во многом напоминает каскод. Это также два триода, один из которых «взгромоздился» на плечи другого. Да, этот «ламповый цирк» вызывает у многих скептическую ухмылку, и, наверное, за ней может последовать поток нравоучительных реплик типа «человек — прошу прощенья, триод — по земле ходить должен!» Но так или иначе, каскад этот заслуживает внимания, поскольку он обеспечивает одновременное ощутимое улучшение нескольких важных параметров: стабильности режима, линейности, выходного сопротивления, широкополосности, перегрузочной способности и чувствительности к помехам и пульсациям анодного напряжения питания. А что касается звука, то все знают, что усилители Audio Note и Сагу Audio Designs совсем не так уж плохо звучат! Именно эти фирмы чаще других применяют в качестве входного или драйверного каскад, изображенный на рис. 3а. Называется он чаще всего СРПП (SRPP — Shunt Regulated Push Pull).

Рис. 3a

Пусть вас не вводит в заблуждение расшифровка этой аббревиатуры: «пушпул» здесь выражен только в противофазности сигналов верхнего и нижнего триодов. С таким же успехом «пушпулом» можно было бы назвать классическую схему из двух триодов, соединенных каскадно — там тоже имеет место противофазность сигналов. Таким образом, СРПП — это не совсем корректное название, укоренившееся в литературе. Можно встретить также аббревиатуру TTSA (Two Tube Series Amplifier — двухламповый усилитель с последовательным включением), хотя она скорее может служить общим ярлыком для всех каскадов вертикальной конфигурации, в том числе и каскодов. По-русски же наш каскад называется просто и понятно: усилительный каскад с динамической нагрузкой. И именно это название наиболее точно отражает его сущность (тот редкий случай, когда русский язык оказался лаконичнее английского). Встречается и более экзотическое русское название — каскад с «электронными резисторами» в цепи анодной нагрузки (Т.В.Войшвилло. Усилительные устройства. М., Связь, 1975).

Итак, вместо обычного резистора анодной нагрузки каскад СРПП имеет в цепи анода второй триод, смещение на сетке которого задается резистором R_к2. При появлении положительной полуволны сигнала на сетке V1 ток нижнего триода увеличивается, что приводит к увеличению падения напряжения на резисторе R_к2, а это, в свою очередь, уменьшает ток верхнего триода V2. Наблюдается тенденция стремления к стабильности анодного тока, который зависит теперь от изменений входного сигнала в меньшей степени, чем в обычном резистивном каскаде усиления. Комбинированная нагрузка — триод V2 и резистор R_к2 — по своим свойствам начинает приближаться к источнику стабильного тока. Что же в этом хорошего? Известно, что источник стабильного тока обладает высоким внутренним сопротивлением, которое у идеального источника тока равно бесконечности (это, конечно, математическая абстракция). А теперь вспомним, что триодный каскад тем линейнее, чем выше его сопротивление нагрузки. Решить эту проблему «в лоб», как уже говорилось выше (путем произвольного увеличения анодной нагрузки), не представляется возможным, поскольку страдают другие, не менее важные параметры каскада. Остается только «обмануть» доверчивый триод V1, при этом его сопротивление нагрузки «раздваивается»: по постоянному току оно невелико и равно (R_к2+R_ivк2), что обеспечивает нормальный режим каскада без увеличения напряжения анодного питания, а по переменному току (или динамическое сопротивление нагрузки) может быть намного больше, и определяется величиной R_к2 и коэффициентом усиления по напряжению верхнего триода: R_{н. дин.}=R_к2(1+)+R_i(V2). Это дает возможность получить несколько больший коэффициент усиления каскада СРПП по сравнению с обычным усилительным каскадом. А поскольку выходной сигнал снимается с катода V2, то и выходное сопротивление оказывается значительно ниже. Реально в случае, когда такой каскад работает на относительно низкоомную нагрузку, можно получить очень значительный выигрыш и по усилению, и по полосе пропускания. Да и динамические свойства при условии достаточного тока покоя каскада могут быть получены весьма впечатляющие (здесь важно учесть не только быстродействие каскада, но и насколько большой ток сигнала может отдаваться в нагрузку). По этим причинам каскад СРПП нашел применение в схемах видеоусилителей, где необходимо было обеспечить максимальную величину произведения , a также в схемах быстродействующих триггеров (А.П.Ложников, Е.К.Сонин. Каскодные усилители. М., Энергия, 1964), наверное, задолго до того, как кому-то пришла в голову идея попробовать его в схемах усиления звуковых частот. Особенно ярко его преимущества проявляются при работе в схемах, где паразитная емкость нагрузки достаточно велика (к такой категории относятся некоторые схемы драйверов, работающих на большое количество параллельно включенных выходных ламп либо на одиночные лампы, имеющие высокую динамическую входную емкость). На рис. 3б показана зависимость коэффициента усиления каскада СРПП на двойном триоде 6Н3П (=35, R_i=5,8 кОм) от эквивалентного сопротивления нагрузки при различных величинах R_к2 (кривая 1 соответствует обычному каскаду с общим катодом, остальные — СРПП: 2 — при R_к2=360 Ом; 3 — R_к2=560 Ом; 4 — R_к2=820 Ом) На рис. 3в показана зависимость выходного сопротивления каскада СРПП от величины R_к2. На рис. 3г приводятся для сравнения переходные характеристики каскада СРПП (вверху) и обычного каскада (внизу) на 6Н3П (кривая 1 — при C_н=5 пФ; 2 — C_н=15 пФ; 3 — C_н=30 пФ; 4 — C_н=55 пФ).

Рис. 3b

Рис. 3в

Рис. 3г

Однако СРПП — это еще не предел мечтаний. И вот по какой причине: хотя комбинированная анодная нагрузка каскада, как уже говорилось, приобретает некоторые свойства источника стабильного тока, но из-за относительно небольшого , свойственного триодам, у V2 не хватает «усилительной способности» для того, чтобы в достаточной степени компенсировать падение напряжения на R_к2, вызванное изменением тока сигнала. Решить эту проблему можно двумя путями: либо в качестве V2 применить не триод, а пентод, либо увеличить уровень сигнала на сетке V2. Первый путь приводит к схеме, изображенной на рис.4, а второй — к так называемому «усиленному СРПП», который получается к тому же и усложненным (рис. 5).

Рис. 5

Дело в том, что значительно поднять уровень сигнала на сетке V2 просто путем увеличения резистора R_к2 не удается, так как от величины этого же самого резистора зависит и положение рабочей точки каскада, и если увлечься этим способом сверх меры, можно растерять все плюсы каскада СРПП (в первую очередь ухудшится перегрузочная способность). Зато можно пойти дальше по пути обмана легковерных триодов, «одурачив» теперь уже и V2: организовать ему требуемое сеточное смещение с помощью делителя (R_к2 R_a), который заменит R_к2, что даст больше свободы в варьировании уровнем сигнала на его сетке (который будет пропорционален нижнему резистору делителя), а сигнал этот подать через конденсатор C_a. Коэффициент усиления такого каскада можно сделать уже довольно близким к нижнего триода (не надо забывать, что именно он остается главным «действующим лицом», определяющим работу каскада, а все остальное служит лишь для того, чтобы создать ему наилучшие «условия труда»). Поэтому усиленный каскад СРПП в зарубежной литературе называется «Mu Follower» — «повторитель ». И опять это эффектное название в некоторой степени условно, так как усиленный СРПП хотя и подбирается довольно близко по коэффициенту усиления к величине нижнего триода, но все же не «повторяет» его. К тому же он оставляет возможность путем применения пентода в качестве верхней лампы и дополнительного усложнения схемы еще больше сократить дистанцию между реальным коэффициентом усиления и значением нижней лампы, одновременно понизив и так уже достаточно низкое выходное сопротивление и расширив динамический диапазон. Этот каскад (рис. 6) на страницах журнала «Glass Audio» назван «(-каскад» (Allan Kimmel. The Mu Stage//Glass Audio, 1993, N2).

Рис. 6

Особенности строения этого каскада предоставляют широкие возможности выбора токов покоя верхней и нижней ламп. Токи в данном случае могут быть разными, поскольку смещение пентода задается отдельным делителем (R_к2, R’_к2), который также способствует дальнейшему понижению выходного сопротивления (и, очевидно, выравниванию его для положительной и отрицательной полуволн сигнала достаточно большого уровня, когда может проявляться «пушпульный» эффект, т. е. крутизна переднего и заднего фронтов прямоугольного импульса в общем случае может быть разной). Величиной анодной нагрузки триода R_a также можно варьировать в некоторых пределах. Пентод же можно рассматривать в качестве катодного повторителя с очень близким к единице коэффициентом передачи. Таким образом, любое изменение мгновенного значения напряжения на аноде, или нижнем выводе резистора R_a, с высокой точностью отслеживается катодным повторителем на пентоде V2, появляясь на верхнем выводе R_a, в связи с чем падение напряжения на R_a практически постоянно и не зависит от сигнала — это и есть настоящий (не идеальный, конечно, но очень близкий к нему) источник стабильного тока. Конечно, те, кто страдает пентодной аллергией, могут применить и триод в качестве V2, но при этом они получат более скромные параметры. Катодный повторитель на триоде обычно имеет коэффициент передачи K порядка 0,9, в то время как пентод может легко обеспечить значение 0,995 и даже больше. А теперь примем величину R_a равной 6,8 кОм и посчитаем динамическое сопротивление анодной нагрузки каскада: R_{н. дин.}=R_a/(1-K). В нашем примере R_{н. дин. триод.}=68 кОм, а R_{н. дин. пент.}=1,36 MОм. Разница — в 20 раз! Катодные повторители, кстати, тоже пользуются далеко не безупречной репутацией у технически грамотных аудиофилов. Но, тем не менее, как утверждает тот же Аллан Киммел, в такой схеме катодный повторитель на пентоде — это как раз то, что надо. И вообще пентоды в катодных повторителях дают много лучшие результаты как по параметрам (меньшее выходное сопротивление и затухание), так и по звучанию. К тому же Аллан Киммел пишет, что он долго экспериментировал со всеми описанными выше ламповыми каскадами во всех возможных вариантах, и все они, будучи грамотно реализованы, звучат очень хорошо, а лучше всех — именно -каскад. Особо хорош он в качестве драйвера, «раскачивающего» выходные триоды с малым , требующие большого размаха напряжения сигнала. Полученные Киммелом параметры его -каскада (рис.7) весьма и весьма впечатляют: выходное сопротивление 100 Ом, размах выходного сигнала 215 В при коэффициенте гармоник 0,7% и напряжении анодного питания 300 В, диапазон частот по уровню (—3дБ) 0,28Гц — 1МГц.

Рис. 7

Триод — хорошо известный всем 6DJ8 (аналог 6Н23П), обе половинки которого запараллелены, что благоприятно сказывается на выходном сопротивлении (как пишет Киммел, он это сделал еще и потому, что не мог смириться с тем, что одна половинка триода «болталась без дела»). Пентод — 12GN7 (аналог неизвестен, но это вряд ли важно: здесь подойдет любой пентод с достаточно высоким , способный работать при требуемом токе покоя, который нетрудно определить исходя из рекомендованного режима по току 6Н23П; наверняка хорошо покажет себя 6Ж9П). Но это еще не конец истории. В N5 журнала «Glass Audio» за 1996 год Аллан Киммел опубликовал статью под названием «A Direct-Coupled Mu Stage» (-каскад с непосредственной связью), в которой привел еще более совершенное произведение схемотехнического искусства (рис. 8).

Рис. 8

Трудно сказать, принадлежит ли ему идея создания этого каскада, или он позаимствовал ее из старой ламповой литературы (ведь часто бывает, что многие новшества на деле оказываются раза в два старше своих «изобретателей»). Как бы там ни было, идея очень оригинальна: если предыдущие каскады напоминали «живую пирамиду» на цирковой арене, то этот тянет на воздушных акробатов слетающей трапецией. Исчез конденсатор C_a, связь между анодом триода и управляющей сеткой пентода теперь гальваническая; одновременно введен плавающий стабилизированный источник питания экранной сетки, от него же получает питание и анод триода. Изначально в этой схеме ставилась цель исключить «подгружающую» выход каскада цепочку R_э C_э, хотя ее влияние не было сколь-нибудь драматическим. Так или иначе, рекорды параметров предыдущего каскада (рис.7) были побиты: выходное сопротивление снизилось до 80 Ом, максимальный размах неискаженного выходного напряжения достиг 269 В при коэффициенте гармоник 0,9% и прежнем анодном питании (300 В), частотный диапазон за счет отсутствия переходного конденсатора C_a теперь начинается с F_н(-3дБ)=0,15 Гц, F_в(-3 дБ) осталась прежней: 1 МГц. Чтобы не перематывать силовой трансформатор, Киммел нашел очень остроумное решение организации плавающего источника: он установил небольшой накальный трансформатор и включил его «задом наперед», подав на вторичную обмотку переменное напряжение накала 6,3 В, а к первичной подключил выпрямительный мост и простейший транзисторный стабилизатор, с которого снимаются требуемые 75 В. Этот нестандартный способ хорош еще и тем, что такой компактный источник питания можно разместить в непосредственной близости от нашего каскада, не дав тем самым сигналу «разгуливать» по длинным соединительным проводам, ведущим к общему источнику питания. Хотя при наличии хорошей развязки этот вопрос, наверное, может быть решен и традиционным способом — применением силового трансформатора с отдельной обмоткой.

Итак, мы рассмотрели несколько ламповых схем, каждая из которых характеризуется вертикальной конфигурацией. Существуют и другие вертикальные каскады, в первую очередь сложные катодные повторители (например, катодный повторитель Уайта). Поскольку в данном случае речь шла о каскадах усиления напряжения, касаться катодных повторителей в этой статье мы не будем. Это — отдельная жизнь со своими болячками и лекарствами от них. Кроме того, рассмотренные типы усилительных каскадов во многих случаях вообще исключают необходимость применения катодных повторителей, сочетая в себе свойства усилителя и буфера (прямо как знаменитый шампунь «Пантин Про-Ви» с кондиционером — два в одном!). Как часто бывает, каждый последующий каскад обладает лучшими параметрами, чем предыдущий, но при этом становится сложнее. Дальше в лес — больше деталей. Поэтому хочется посоветовать тем читателям, которые решат попробовать «на звук» что-то из этой статьи, не быть максималистами и не замахиваться сразу на самый «крутой» вариант приведенных выше схем, а начать с простого. Как знать, возможно, в какой-то конкретной конструкции усилителя или другого устройства лучше всех зазвучит какая-нибудь промежуточная по сложности и параметрам схема. Лично мне на первый взгляд ближе всего (пока только умозрительно) схема СРПП с пентодом.

Теги:

• УНЧ

Обзор схемотехники ламповых усилителей | paseka24.ru

Для повышения выходной мощности усилителей кроме «запараллеливания» ламп еще в 30-е годы применяли двухтактные каскады (push-pull). Для возбуждения двухтактного каскада необходимы два противофазных напряжения, которые проще всего получить при помощи трансформатора. Так до сих пор и поступают в самых бескомпромиссных конструкциях, но степень влияния междулампового трансформатора на качество сигнала едва ли не больше, чем выходного. Поэтому в подавляющем большинстве двухтактных усилителей для получения противофазных напряжений используется специальный фазоинверсный каскад. Ниже перечислены основные типы фазоинверсных каскадов:

1.Отдельный инвертирующий каскад в одном из плеч усилителя,

2.Автобалансный фазоинвертор,

3.Фазоинвертор с катодной связью,

4.Фазоинвертор с разделённой нагрузкой

Каждому из решений свойственны достоинства и недостатки. В пору расцвета высококачественных ламповых усилителей наибольшее распространение получили фазоинверторы с разделенной нагрузкой и катодной связью. Фазоинвертор с катодной связью дает некоторое усиление, но идентичность выходных сигналов зависит от степени связи. Глубокую связь можно получить только при использовании большого сопротивления связи (за это схему назвали long tail — «длиннохвостая») или источников тока в цепи катода (а это тогда вообще не приветствовалось). Кроме того, выходные сопротивления плеч такого фазоинвертора значительно различаются (один триод включен по схеме с общим катодом, второй — с общей сеткой). Фазоинвертор с разделенной нагрузкой позволяет получить идентичные сигналы, но несколько ослабляют их. Поэтому приходится увеличивать усиление до фазоинвертора (что чревато его перегрузкой) или использовать двухтактный предоконечный каскад. Однако именно этот тип фазоинвертора получил наибольшее распространение в промышленных конструкциях, поскольку обеспечивает хорошую повторяемость при серийном производстве.

Вопрос экономии в прежние годы рационального усилителестроения был первоочередным. И радиолюбителей, и конструкторов смущала лишняя лампа в первых каскадах усилителя. Поэтому неудивительно, что в начале 50-х годов на страницах радиотехнических изданий появились схемы двухтактных усилителей, не содержащих отдельного фазоинвертора. Выходной каскад таких усилителей был выполнен по схеме с катодной связью и работал в «чистом» классе А. Предлагались как новые схемы, так и переделка существующих однотактных усилителей в двухтактные. По нашу сторону «железного занавеса» этот тип усилителей не прижился в силу малой экономичности. А за бугром подобные конструкции были в ходу ещё довольно долго.

Предельно простая схема двухтактного лампового усилителя, предназначенная для повторения любителями лампововго звука, приведена ниже. Именно в таком скелете реализована концепция экономии первой лампочки.

Простой двухтактный усилитель Pвых = 6 Вт. Выходной каскад выполнен по схеме с катодной связью. Приведенное сопротивление нагрузки — 8 кОм. Конструктивные данные трансформатора неизвестны. В источнике питания использован двухполупериодный выпрямитель на прямонакальном кенотроне 5Y3GT и LC-фильтр. Исходник можно найти по реквизитам Melvin Leibovitz Hi-Fi Power Amplifier (Electronic World, June 1961). Интересно включение регулятора громкости на входе оконечного каскада и всего один переходной конденсатор. Степень катодной связи невелика, так что характер звучания, скорее всего, будет как у однотактника (с четными гармониками). Общей ООС нет, поскольку запас усиления невелик. Однако введение ООС в пентодный усилитель крайне желательно — без нее выходное сопротивление очень велико. Это хорошо только для полосы СЧ (снижает интермодуляционные искажения в динамике). Однако для всех остальных применений такое решение противопоказано. Глубокую ООС в усилитель можно ввести только при непосредственной связи каскадов.

Двухтактный усилитель класса А. Усилитель выполнен по схеме с непосредственной связью каскадов и охвачен глубокой ООС (~30 дБ). Выходной каскад работает в классе А. Он выполнен по схеме с катодной связью и не требует отдельного фазоинверсного каскада. Сетка VL3  заземлена по переменному току. Часть напряжения с катодов выходных ламп подана на экранирующую сетку VL1, что стабилизирует режим по постоянному току.

Налаживание сводится к подбору резисторов R1…R3 так, чтобы напряжение на управляющих сетках ламп составило величину -12 В относительно их катодов. Выходной трансформатор выполнен на сердечнике Ш-22х50. Первичная обмотка содержит 2х1000 витков медного эмалированного провода d=0,18 мм, вторичная — 42 витка провода d=1,25. Обмотки секционированы, вторичная обмотка размещена между слоями первичной. Исходник схемы можно найти по реквизитам Павлов В. Высококачественный усилитель НЧ. Радио, №10/1956, с.44.

Усилители в режимах класса A обеспечивают весьма высокое качество звучания. Однако переход к режиму AB при той же мощности рассеяния на аноде позволяет получить в два-три раза большую выходную мощность. Нередко такое мероприяите оказывается очень соблазнительным. Выходной каскад в режиме AB уже не может работать как схема с катодной связью, поэтому без отдельного фазоинверсного каскада здесь не обойтись.

Желание сократить если не число ламп, то хотя бы число баллонов, привело к появлению схемы усилителя на двух триод-пентодах. Низкочастотные триод-пентоды были в свое время специально разработаны для однотактных усилителей приемников и телевизоров (триодная часть использовалась в драйвере, пентодная — в выходном каскаде). Однако в двухтактном применении они тоже не подкачали. У публикуемой ниже схемы было немало воплощений. Ультралинейный вариант, на комбинрованных лампах был, например, в самом первом издании книги Гендина «Высококачественные любительские УНЧ» (1968 г.).

Пример схемы пропущен.

Двухтактный усилитель на триод-пентодах. Pвых = 10 Вт. Фазоинвертор по схеме с разделенной нагрузкой, связь с первым каскадом непосредственная. Выходной каскад пентодный с фиксированным смещением. Известны также варианты этой схемы с ультралинейным включением выходных ламп, с комбинированным и автоматическим смещением. Конструктивные данные трансформатора неизвестны. Цепь R3C2 обеспечивает устойчивость усилителя с замкнутой петлей ООС. Кстати, об ультралинейном включении выходных пентодов. В двухтактном варианте у них появляется еще один плюс — дополнительная компенсация гармоник, возникающих в выходном каскаде. Поэтому подавляющее большинство любительских конструкций выполнены именно по ультралинейному варианту. В промышленных конструкциях отечественного изготовления ультралинейные усилители опять-таки не прижились из-за сложности выходного трансформатора. Для получения высоких характеристик необходима полная симметричность конструкции, секционирование обмоток, сложная коммутация. При использовании трансформаторов массового изготовления выигрыш от применения ультралинейной схемы незаметен.

Скелет следующей схемы стал классикой и послужил основой для бесчисленного множества конструкций с разными вариациями.  

Ультралинейный усилитель Pвых = 12 Вт, Кг< 0,5% Выходной трансформатор выполнен на сердечнике Ш 19х30 мм. Первичная обмотка содержит 2х(860+1140) витков проводом d=1,3 мм. Схема практически не нуждается в налаживании, что снискало ей популярность в промышленных и любительских конструкциях. Фазоинвертор выполнен по схеме с разделенной нагрузкой. Исходник схемы лекго найти по реквизитам. Лабутин В. Ультралинейный усилитель, Радио, №11/1958, с.42-44.

Несмотря на высокие характеристики и обычные пентодные, и ультралинейные усилители редко использовались без общей ООС. Применение ООС снижает выходное сопротивление усилителя и улучшает условия работы низкочастотных головок. Но для снижения выходного сопротивления усилителя можно использовать не только отрицательную, но и положительную ОС. В схеме следующего усилителя использована комбинированная обратная связь. 

Ультралинейный усилитель. Основная особенность усилителя — комбинация ООС по напряжению и ПОС по току, улучшающая согласование усилителя с динамической головкой в области основного механического резонанса  Сигнал ПОС снимается с датчика тока (R19), включенного в «земляной» вывод выходного трансформатора. Глубина обеих обратных связей регулируется синхронно, что исключает самовозбуждение усилителя. Первый каскад-усилитель напряжения. Фазоинвертор выполнен по схеме с катодной связью. Выходной каскад выполнен по типовой ультралинейной схеме и дополнен регулятором балансировки RP1  На втором триоде VL1 выполнен микрофонный усилитель Выходной трансформатор выполнен на сердечнике Ш25х40 Первичная обмотка содержит 2х(1100+400) витков провода d=0 18мм, вторичная — 82 витка провода d=0,86мм (60м). Исходник схемы можно обнаружить по реквизитам Иванов В. Усилитель НЧ, Радио №11/1959 с.47-49.

Триодный выходной каскад обладает низкими искажениями и малым выходным сопротивлением даже без общей ООС. Характеристики каскада слабо зависят от приведенного сопротивления нагрузки. Это позволяет снизить индуктивность выходного трансформатора. Далее приведены два варианта схемы усилителя с выходным каскадом на двойном триоде.

Триодный усилитель Рвых=2,5Вт (+250В) Рвых=3,5Вт (+300В) Кг=3% (без ООС). Первый каскад-усилитель напряжения на пентоде (Kv=280 — 350). Использован фазоинвертор с разделённой нагрузкой. Выходной каскад построен с фиксированным смещением. Для снижения фона на обмотку накала подан потенциал +40В. Выходной трансформатор выполнен на сердечнике Ш12 (окно 12х30мм), толщина набора 20мм. Первичная обмотка 2×2300 витков провода d=0,12мм, вторичная — 74 витка d=0,74мм. Силовой трансформатор выполнен на сердечнике Ш16 (окно 16х40мм), толщина набора 32мм. Сетевая обмотка содержит 2080 витков провода d=0,23мм, анодная — 2040 витков провода d=0,16мм, накальная — 68 витков провода d=0,84мм, обмотка смещения — 97 витков провода d=0,12мм.

Вторая схема триодного двухтактного окнкчного усилителя показан ниже. Исходник статьи можно отыскать по реквизитм. Зельдин Е. Триодный усилитель класса В. Радио № 4/1967, с.25-26. Параметры изделия весьма скромные Рвых = 2,5 Вт, Кг =0,7…1% 

При выборе триодной схемы телезрителям нужно отчётливо понимать, что даже в двухтактном усилителе придётся довольствоваться маленькой выходной мощностью. В выходном каскаде применено комбинированное смещение (использована накальная обмотка). Выходной трансформатор выполнен на сердечнике Ш12 (окно 12х26мм), толщина набора 18мм. Первичная обмотка содержит 2×1800 витков провода d=0,1Змм, вторичная — 95 витков провода d=0,59мм (13 Ом).         Автор подборки А.Шихатов.  По материалам и сети статью подготовил

         Евгений Бортник, Красноярск, Россия, июнь 2016

Ступени с прямой связью – ламповая фабрика wauwatosa

Если вы потратите достаточно времени на изучение сайтов и книг по изготовлению ламповых усилителей своими руками, вы неизбежно столкнетесь с темой ламповых схем с прямой связью. Сэндвич-транзисторы N-типа и p-типа делают схемы с прямой связью почти тривиальными. Лампы, которые только «n-типа», не так просто соединить анодом с сеткой. И все же поет сирена, привлекая предприимчивых ламповых духов.

«Почему мы вообще должны хотеть управлять парой?» — спрашиваете вы, и у вас покалывает сократическая железа. Многие твердотельные усилители используют прямую связь для увеличения уровня отрицательной обратной связи. В случае с лампами нас часто больше интересует максимизация присущей триодам линейности в усилителях класса А без обратной связи (хороший контрпример см. в книге Кристальный дворец Джонса в ламповых усилителях, 4-е изд.).

Якобы устранение разделительного конденсатора или трансформатора оставляет меньше места на пути прохождения сигнала между входом и выходом, делая все, что вы строите, более прозрачным (если вы считаете, что крышки являются значительным источником окрашивания). Устранение разделительного конденсатора также устраняет потенциальный источник блокирующих искажений (если вы склонны к перегрузке усилителей, хотя катодный резистор с шунтированной крышкой все еще может вызвать проблемы). На мой взгляд, самая веская причина для прямой пары заключается в том, что это делает возможным работу A2 (положительное смещение сетки).

Ниже приведены некоторые (в основном непроверенные) идеи и примечания для «простых» усилителей SET с прямой связью.

Рис. 1: Простое использование ненормально большого катодного резистора под выходной лампой поднимает его катод выше анодного напряжения управляющего каскада. Это рассеивает много дополнительной мощности в выходной секции и практически не способствует работе A2. Тем не менее, забавный трюк для вечеринки.

Рис. 2. Использование резистивного делителя для снижения постоянного напряжения, видимого сеткой выходной лампы. Это снижает коэффициент усиления первого каскада и, возможно, по-прежнему требует поднятия катода выходного каскада (полезное чтение по этому вопросу см. у Джонса).

Рис. 3. Стиль Free Lunch с удушающей загрузкой ведущей сцены настолько же изящный, насколько и темпераментный (по моему опыту). Вы по-прежнему рассеиваете мощность на катоде выходной лампы. См. также варианты Лофтина-Уайта, обсуждаемые на TubeCAD.

Рис. 4. В настоящее время кипящий на моем заднем плане гиратор MOSFET устанавливает надежное напряжение на сетке выходной лампы, а его низкое выходное сопротивление позволяет работать в режиме A2. Вместо того, чтобы поднимать катод, рассеивая мощность на резисторе смещения, катод поднимается с помощью отдельного источника питания (должен быть прочным). Дополнительные комплектующие обеспечивают B+ для выходной лампы и каскада возбуждения.

Следует отметить, что прямая связь почти всегда требует некоторых дополнительных расчетов, измерений и регулировок всего, что вы строите (вы можете увидеть это методом проб и ошибок катодного резистора El Estudiante). Вы также, вероятно, отнесете цепь с прямой связью к очень конкретным лампам, не говоря уже о точках смещения (которые должны поддерживаться). Но, несмотря на эти предупреждения, однажды услышав легенду о схеме без колпачков, может быть уже слишком поздно.

 

 

 

Нравится:

Нравится Загрузка…

Ламповый усилитель для наушников с прямой связью – Tavish Design

Вот идея лампового усилителя для наушников с прямой связью. Это простой вариант широко используемой схемы, поэтому я уверен, что нечто подобное уже есть. Концептуальные схемы вариантов «ламповый МОП-транзистор» и «ламповый-ламповый» показаны на рис. 1 и 2. Регулятор уровня постоянного тока, состоящий из стабилитронов, обеспечивает прямую связь схемы с выходным напряжением 0 В постоянного тока, а также позволяет лампам работать при высоких напряжениях (200 В), где они работают лучше всего. Я не могу претендовать на какую-либо изобретательность в отношении идеи сдвига уровня, поскольку аналогичные методы использовались для ламповых операционных усилителей с прямой связью еще в 1919 году.50-е и 1960-е годы. Тогда вместо стабилитронов использовались неоновые лампы. Но такой точной схемы для усилителя для наушников я еще не видел, и она элегантно устраняет низкочастотный фазовый сдвиг и искажения от выходного разделительного конденсатора или трансформатора.

Обратите внимание, что в нашем гибридном усилителе мощности Minotaur (http://tavishdesign.com/products/minotaur) используется другой метод прямой связи, где источники питания со сдвигом уровня позволяют различным частям схемы работать при разных напряжениях. , но в конечном итоге концепция та же.

Устройство вывода на рис. 1 и 2 могут быть полевым МОП-транзистором, трубкой или NPN. Я использую наушники Sennheiser с высоким импедансом, поэтому ламповый выход, вероятно, подойдет для меня, но я подозреваю, что выход MOSFET или NPN будет иметь меньшие искажения. С отрицательной высоковольтной шиной выходным устройством может быть даже 6AS7 (хотя это становится немного непрактичным для усилителя для наушников, если вы хотите, чтобы он был компактным).

Рис. 1 и 2 являются концептуальными схемами, нарисованными, чтобы подчеркнуть прямую связь, но стабильность смещения выходного постоянного тока, вероятно, будет проблемой. Рис. 3 представляет собой более практичную версию с модифицированной схемой для управления смещением постоянного тока. Блокировочный конденсатор по постоянному току в контуре обратной связи (C28) снижает усиление до единицы по постоянному току, позволяя смещению постоянного тока на выходе быть стабильным в пределах ±50 мВ или меньше, что более чем достаточно.

Цепь с прямой связью также требует схем защиты от смещения постоянного тока на случай отказа лампы или транзистора или извлечения лампы из гнезда. На рис. 4 показан оконный компаратор, который размыкает выходное реле, если версия выходного напряжения смещения с фильтром нижних частот превышает ±0,65 В или около того. Также имеется задержка включения выходного реле.

В ближайшее время я планирую разработать печатную плату для этой конструкции. Любые предложения, прежде чем я это сделаю? Я так понимаю, есть подобные схемы? Какой ток действительно нужен для наушников с низким импедансом? Есть ли лучший выходной MOSFET, чем IRF540? Мысли о выходной версии NPN (или Sziklai)? Обратите внимание, что эта базовая топология также может быть использована для создания гибридного усилителя мощности с прямой связью. Я буду обновлять этот веб-сайт по мере продвижения проекта, добавляя обновления дизайна и результаты измерений по мере их поступления.

 

Fig. 1: Conceptual schematic of direct-coupled tube-MOSFET headphone amplifier

Fig. 2: Conceptual schematic of direct-coupled tube headphone amplifier with 6SN7 output stage

 

Рис. 3: Практическая схема лампового усилителя для наушников с прямой связью на МОП-транзисторах (показан правый канал).

 

 

 

Рис. 4. Схема обнаружения задержки включения и смещения постоянного тока 9Рис. 5. Схема блока питания. Предполагается входное напряжение 18 В переменного тока при 1 А, 50/60 Гц, например, от настенного трансформатора.

 

 

Авторские права, товарные знаки и отказ от ответственности

© Copyright Tavish Design, LLC 2015. Все права защищены. Никакая часть этого документа не может быть воспроизведена каким-либо образом или переведена на другие языки без предварительного письменного согласия Tavish Design, LLC.