Evermore одноэлементные усилители

12 декабря 2016 года, пост 364

Тема с одиночным умыслом продолжается. Прежде чем мы пойдем в новых направлениях, давайте вернемся к основам. В чистом виде усилитель с одним концом использует одно-единственное активное устройство, такое как триод, пентод, полевой транзистор или транзистор, для выполнения всей работы по управлению громкоговорителем. Параллельное добавление большего количества устройств не меняет основную операцию, поскольку эффективно увеличивает выходное устройство, увеличивая его проводимость. (Оригинальный 2A3 содержит два внутренних триода параллельно.) Что делает несимметричный усилитель настолько приятным для ушей, так это то, что на холостом ходу выходное устройство находится в своем лучшем месте, ровно в половине своих максимальных колебаний тока и пикового напряжения.

Это по необходимости чистый класс-A, и он предлагает постоянный выходной импеданс благодаря своей работе с постоянной трансдуктивностью. Напротив, двухтактный выходной каскад чаще всего работает в классе AB, поскольку он обеспечивает большую выходную мощность и меньшее тепловыделение на холостом ходу, что, в свою очередь, позволяет использовать меньшие радиаторы и силовые трансформаторы. Проблема с классом AB заключается в том, что выходные устройства работают на холостом ходу рядом с их отсечкой, где они менее линейны. Кроме того, область перекрытия устройств, где оба выходных устройства включены одновременно, приводит к удвоению gm, что вдвое уменьшает выходной импеданс в зоне действия перекрытия (окно операций класса A) и создает две точки перехода, когда одно устройство выключается во время скачка выходного напряжения, а затем другое устройство выключается при нисходящем колебании.

Проблемы, с которыми мы сталкиваемся с несимметричными выходными каскадами, - это низкая выходная мощность, низкая эффективность, высокое рассеяние тепла и, в случае триодных выходных ламп, плохое PSRR. Семнадцать лет назад в статье под названием «Понижение Выходной шум одиночного усилителя Я предоставил свое решение последней проблемы: плохой PSRR. Поскольку очень немногие будут переходить по ссылкам внутри абзаца, вот длинная цитата из этой статьи.

В простом заземленном катодном усилителе пластинчатый резистор определяет нагрузку, на которую работает лампа. Если на соединении источника питания есть какие-либо помехи, некоторые из них будут известны на выходе, так как пластинчатый резистор и трубка определяют делитель напряжения. Чем ниже rp трубки, тем меньше шума на выходе. Низкий рп является одной из причин, по которой триоды могут быть намного тише, чем пентоды. Например, 6BX7 имеет rp 1300 Ом, и редко для любой пентоды значение rp составляет менее 50 кОм; на самом деле, большинство из них ближе к идеальным источникам тока, т. е. почти бесконечное число оборотов. Это низкое значение rp триода является отличным преимуществом, когда схема представляет собой заземленный катодный усилитель, а нагрузка представляет собой пластинчатый резистор. Но в усилителе SE с трансформаторной нагрузкой низкий уровень rp в настоящее время оказывается вредным для работы с низким уровнем шума.
Напряжение сигнала, которое развивается на первичной обмотке выходного трансформатора, как только оно понижается через трансформатор, является тем, что динамик увидит на вторичной обмотке. Чем больше этот сигнал, тем больше будет выходной сигнал. Таким образом, чем больше шумовое напряжение, развиваемое на первичной обмотке трансформатора, тем больше шум на выходе. Если трансформатор видит половину шума источника питания, выходной каскад будет иметь PSRR -6 дБ или 50%; другими словами, действительно очень бедный.
Суть в том, что низкое значение rp, которое оказалось чрезвычайно выгодным для снижения выходного сопротивления усилителя, теперь оказывается препятствием для работы с низким уровнем шума. (Конечно, обратная связь снизит не только искажения и Zo, но и шум. Тем не менее, чем ниже шум до применения обратной связи, тем меньше шум на выходе после обратной связи.) Устройства с высоким импедансом, такие как пентоды, дают намного меньше количество шума в динамике, потому что первичный импеданс настолько мал по сравнению с их чрезвычайно высоким (почти бесконечным) внутренним импедансом.

Мое решение состояло в том, чтобы преднамеренно ввести часть шума источника питания в катод выходного триода, который бы затем противодействовал шуму источника питания в соединении B +. Другими словами, мы хотим, чтобы выходной триод демонстрировал постоянное потребление тока в условиях шума источника питания, так как основной выходной трансформатор является чувствительным к изменению тока устройством. Нет изменения тока в первичной, нет выходного сигнала на вторичной.

Конденсаторы C1 и C2 определяют делитель переменного напряжения. Делая C2 mu (коэффициент усиления триода) в несколько раз больше, чем C1, мы достигаем магического отношения, которое приводит к нулевому шуму источника питания. Например, 6BX7 с mu, равным 10, потребует, чтобы значение C2 было в 10 раз больше значения C1.

Источник постоянного тока не является существенным, поскольку вместо него можно использовать простой катодный резистор. Это, однако, важно в следующем дизайне.

Я придумал вышеупомянутый дизайн в обмене электронной почтой с читателем Доаном из Вьетнама, который хочет использовать свою несимметричную выходную трубку в классе А2, где выходная трубка испытывает положительное напряжение сетки.

Работа класса А2 позволяет нам использовать более низкое напряжение B +, работать с более высоким током холостого хода и использовать более низкий первичный импеданс, чем обычно в одностороннем усилителе, то есть тот, который никогда не сталкивается с напряжениями положительной сетки. Например, обратите внимание, что если бы мы ограничивали себя отсутствием положительных напряжений сетки на приведенном выше графике, красная сюжетная линия холостого тока должна была бы перемещаться вправо и ниже, в то время как линия нагрузки должна быть менее крутой.

Звучит отлично, так в чем проблема?

Сетка текущая.

Выходная лампа должна иметь сеточный резистор, который представляет собой резистор, который проходит от «земли» к сетке и который обеспечивает путь постоянного напряжения к земле (или к отрицательному напряжению смещения). Мы можем легко измерить это сопротивление; обычно это значение от 100К до 1М. Сетка триода, с другой стороны, не представляет постоянного сопротивления, так как его сопротивление зависит от напряжения между сеткой и катодом и напряжения между пластиной и катодом. В общем, если сетка, по крайней мере, на один вольт - или около нее - более отрицательна, чем катод, тогда сопротивление сетки почти бесконечно, поскольку сетка и катод определяют диод, который не смещен вперед.
Однако, когда сетка становится положительной относительно катода, диод становится смещенным в прямом направлении, и сетка проводит ток, что означает, что сетка теперь демонстрирует гораздо более низкое сопротивление - сопротивление сетки, подобное сопротивлению пластины. На самом деле, если мы сделаем пластину отрицательной по отношению к катоду, сопротивление пластины - сопротивление пластины, указанное вручную в трубке, к которому мы привыкли - в значительной степени исчезнет.

На самом деле существует фундаментальная топология цепи, о которой почти никто не знает: инвертированный или сеточный усилитель. Это работает так, что мы используем сетку как «пластину», а пластину - как «сетку».

Увидеть http://www.tubecad.com/email_2001/e0829/page18.html для некоторых деталей.
Найти сопротивление сетки, когда оно движется положительно, нелегко. Некоторые старые графики кривых пластин действительно показывают линию графика сетки-тока, которая не является прямой, но я никогда не видел такого графика для триода 845.

Но как бы вы ни разрезали его, между отрицательным сопротивлением сетки и положительным сопротивлением сетки будет резкий разрыв. Большая проблема в большинстве ламповых усилителей заключается в том, что конденсатор связи чрезмерно заряжается, когда сетка начинает проводить, что вызывает «блокирующие искажения». Увидеть Искажение блокировки муфты-конденсатора в посте 287.
Таким образом, большое преимущество использования соединительного трансформатора вместо конденсатора связи, так как вторичный не может стать чрезмерно заряженным. Если, с другой стороны, первичная цепь соединена с конденсатором, и, в частности, если этот конденсатор имеет небольшое значение, то этот конденсатор может и станет перезаряженным. Другими словами, использование межступенчатого соединительного трансформатора не гарантирует отсутствие блокирующих искажений. Таким образом, включение катодного повторителя после межступенчатого трансформатора - что возвращает нас к источнику постоянного тока. Источник постоянного тока гарантирует, что выходная трубка 845 всегда работает на холостом ходу при 100 мА, даже если трубка 12В4 с катодным повторителем отклоняется от своего целевого выходного напряжения.

Входная лампа 6SN7 была настроена как усилитель с катодной связью. Поскольку первичная цепь межкаскадного трансформатора имеет столь низкое сопротивление постоянному току, нам не нужно беспокоиться о проблеме разнородного напряжения на пластине в усилителе с катодной связью. Однако нам нужно беспокоиться о постоянном токе, протекающем через первичную обмотку, что означает, что межступенчатый трансформатор должен удерживать воздушный зазор. Это может оказаться болезненным, поэтому в следующем варианте используется первичный с центральным отводом, что означает, что межступенчатый трансформатор никогда не испытывает никакого постоянного тока постоянного тока и, следовательно, нет намагничивания его сердечника.

Резистор с маркировкой Rload необходим не для того, чтобы обеспечить путь к земле, а для того, чтобы дать межкаскадному трансформатору сопротивление нагрузки, которое можно кусать. Поскольку коэффициент намотки между первичной и вторичной обмотками равен 1:10, коэффициент импеданса между обмотками составляет 1: 100 (соотношение напряжения и тока составляет 1:10). Таким образом, нагрузочный резистор 100 кОм отразится на первичной обмотке как 1 кОм, что для 6SN7 окажется слишком низким. Мы могли бы использовать нагрузочный резистор большего размера, но тогда межкаскадный трансформатор не был бы доволен. Помните, что индуктивные устройства во многом являются инверсией конденсаторов. Если конденсатор сопротивляется изменению напряжения на нем, индуктор сопротивляется изменению тока, протекающего через него; там, где конденсаторы ненавидят низкоимпедансные нагрузки, трансформаторы и дроссели любят их, но ненавидят высокоимпедансные нагрузки.

Итак, давайте сделаем межкаскадный трансформатор счастливым, питая его первичный источник от низкоомного источника: катодного повторителя.

2A3 используется в положении следящего за катодом, но можно использовать много других трубок, таких как 6BL7 или 6H30 или ECC99. 2A3, с другой стороны, будет выглядеть круто. Какая бы трубка ни использовалась, она должна иметь собственный источник питания плавающего нагревателя, так как катод должен качаться с колебаниями напряжения +/- 200 В, что будет превышать максимальное напряжение катода к нагревателю триода.

Обратите внимание, что коэффициент межфазной обмотки трансформатора упал до 1: 4, что означает новый коэффициент импеданса 1:16. Также обратите внимание, что потеря в усилении усиления компенсируется входным каскадом, который теперь содержит два триода ECC99 в каскадных усилителях с заземленным катодом. Кроме того, контур отрицательной обратной связи проходит от входной трубки к выходу катодного повторителя, что приводит к еще более низкому выходному сопротивлению для межкаскадного трансформатора. Еще раз, источник постоянного тока используется для установки тока холостого хода 2A3; еще раз, это оказывается существенным, поскольку это учитывает изменения в напряжении второй пластины ECC99. Электролитический конденсатор, который шунтирует источник постоянного тока, должен быть достаточно большим по значению, чтобы не подвергать риску выходное сопротивление катод-повторителя. Конденсатор обратной связи 100 пФ улучшает запас по фазе на входе и в фазе драйвера.

В общем, очень интересная схема, которую я бы хотел услышать лично. Если я когда-нибудь поеду во Вьетнам, кто знает, у меня просто может быть шанс.

Практически во всех выходных каскадах с односторонней трубкой используется конфигурация усилителя с заземленным катодом. Зачем? Они просты в управлении, так как схема сети имеет высокий импеданс. В отличие от усилитель с заземленной сеткой это тяжелая нагрузка, так как катод должен быть управляем, а не сетка. С другой стороны, усилитель с заземленной сеткой предлагает более расширенный высокочастотный отклик, поскольку сетка экранирует катод от колебаний напряжения на пластине, а пластина колеблется в фазе с катодом, но не в фазе с сеткой.

Однако мы можем использовать повторитель источника (повторитель излучателя) для управления катодом выходной трубки.

P-канальный МОП-транзистор имеет гораздо более высокое входное сопротивление, чем PNP-транзистор, но обладает гораздо большей емкостью. Fairchild FQP3P50 МОП-транзистор -500 В / 85 Вт, который стоит около $ 2 каждый. В идеале, полевой МОП-транзистор никогда не должен приближаться к тому, чтобы видеть напряжение 500 В от источника к стоку. Тем не менее, я хотел бы, чтобы были сделаны МОП-транзисторы с каналом 1 кВ. МОП-транзисторы с самым высоким напряжением, которые я видел, сделаны IXYS и рассчитаны только на -600В.

Одна проблема, с которой мы сталкиваемся при использовании вышеуказанной схемы, заключается в том, что выходной триод не может управляться положительно. (Для некоторых это может быть особенностью.) Чтобы сделать катод более отрицательным, чем сетка (эффективно делая сетку положительной по отношению к катоду), нам нужно сместить сетку до некоторого положительного напряжения, скажем, + 20 В, чтобы + 50V.

На приведенной выше схеме мы видим, что сетка выходной трубки находится под некоторым положительным напряжением. Мы также видим, что катод триода драйвера заканчивается в резисторе МОП-транзистора. Зачем? Это создает петлю отрицательной обратной связи постоянного тока, так что мы можем автоматически смещать выходную лампу. Если выходная трубка проводит слишком большой ток, то триод возбудителя проводит меньше, что приводит к большей положительной силе катода в выходной трубке, что, в свою очередь, снижает ток в выходной трубке. И наоборот, если выходной каскад проводит слишком мало, триод возбудителя проводит более интенсивно, что понижает напряжение на его пластине, которое понижает катодное напряжение выходной трубки, что увеличивает ток в выходной трубке. Стабилизатор 1N5388B устанавливает предел, насколько высоко пластина триода ступени драйвера может идти положительно, для тех случаев, когда вход и трубка драйвера отсутствуют в гнезде.

Другая проблема, с которой мы сталкиваемся, заключается в том, что мы не можем использовать мою технику улучшения PSRR в стиле айкидо - или мы можем? Все, что нам нужно сделать, это смешать правильную часть B + шума с сигналом, который мы доставляем на шлюз MOSFET. Да, это, казалось бы, парадоксальный пример плохого PSRR на уровне драйвера, приводящего к лучшему PSRR на динамике.

Конденсаторы C1 и C2 устанавливают соотношение шумов источника питания в верхней части пластинчатого резистора. Затем пластинчатый резистор и второй триод ECC99 определяют делитель напряжения с двумя сопротивлениями. Если у вас возникает тошнотворное ощущение, что последует куча сложных уравнений, будьте спокойны.

Деление напряжения с помощью конденсаторов затруднительно, так как конденсаторы с жесткими допусками редки и дороги. По этой причине я всегда предпочитаю использовать два резистора вместо двух конденсаторов. Вышеупомянутая схема использует потенциометр, чтобы позволить легкую точную настройку нулевого PSRR. Обратите внимание на размещение потенциометра под конденсатором. Электронно, это могло бы также быть помещено сверху конденсатора. С точки зрения потенциальных шоков, разместить его ниже гораздо безопаснее. Правда, такая механическая поломка встречается редко, но не является невозможной.

Другим изменением является замена соединения постоянного тока между драйвером и выходным каскадом конденсатором связи. Теперь я меньше нервничаю по поводу ожидаемой продолжительности жизни MOSFET P-канала. Тем не менее, мы сохраняем автоматическое смещение для выходного каскада, так как база транзистора NPN TIP50 контролирует падение напряжения на резисторе МОП-транзистора, регулируя напряжение на сетке выходной трубки, пытаясь поддерживать фиксированное напряжение на этом резисторе.

Да, TIP50 довольно длинный в зубе, но у меня есть их куча. Менее чем за один доллар, вы можете купить Fairchild FJP5027 Транзистор NPN 800 В / 50 Вт.

Теперь мы можем далеко уйти от устоявшейся практики. Около месяца назад два читателя писали, спрашивая, как можно использовать настенный или настольный 24В или 48В коммутатор для создания усилителя мощности. Следующий дизайн был моим ответом.

Нажмите на схему, чтобы увидеть крупным планом

Две стадии усиления, сопровождаемые гибридной буферной стадией. Каскадные триоды 6SN7 обеспечивают усиление сигнала. EL34 подключен к пентоду и вместе с шестью NPN-транзисторами MJL3281 мощностью 200 Вт управляет 8-омным громкоговорителем. Контур отрицательной обратной связи обеспечивает низкий уровень искажений и низкий выходной импеданс. Источник постоянного тока 3А обеспечивает нагрузку до 24 В при нагрузках 8 Ом. Однако более реалистичной целью было бы +/- 20 Вольт на 8 Ом. Выходной соединительный конденсатор, неполяризованный электролитический конденсатор, обходит пленочный конденсатор 10 мкФ.

Почему так много выходных транзисторов? Я хотел, чтобы рассеивание каждого транзистора было ниже 12 Вт. Кроме того, для длинного радиатора намного проще отводить тепло от шести равномерно расположенных транзисторов, чем от одного перегретого транзистора в его центре.

В SPICE симуляции вышеупомянутая схема работала хорошо, очень хорошо. Выходной импеданс составляет низкое значение 0,11 Ом, а искажение при 20 В (25 Вт) намного ниже 1%, как показано ниже.

Для тех, кому не нравится EL34, вместо него можно использовать 300B или KT88. На самом деле, я бы поставил свои деньги на пари, что kT77 будет работать лучше всего. Вместо того чтобы использовать настенный или настольный 24В или 48В коммутатор, мы могли бы использовать закрытую версию. TDK-лямбда LS200-48 это закрытый коммутатор на 48В @ 4,25 долл.

Конечно, можно купить более дешевый коммутатор, но приятной особенностью LS200-48 является его неперфорированный корпус. Почему это особенность? В идеале мы хотели бы сохранить его высокочастотный шум внутри своей коробки.

Просматривая свои односторонние схемы, я обнаружил следующий дизайн, который я создал для поста в прошлом году, но никогда не использовал (по крайней мере, я думаю, что я не публиковал его раньше).

Я мог бы легко потратить целый пост на полное объяснение этой схемы. Вместо этого позвольте мне быстро указать на основные моменты. Входной транзистор 6DJ8 и MJE350 определяют двухступенчатый составной усилитель, который обеспечивает фиксированное усиление 16. Конденсатор 200 пФ улучшает запас по фазе этого составного усилителя. Второй триод 6DJ8 сконфигурирован как катодный повторитель, который управляет как выходом, так и N-канальным MOSFET. Стабилизатор 1N5234C предохраняет МОП-транзистор от чрезмерного тока. Нагрузка источника постоянного тока 2.5 позволяет колебаться на +/- 16Vpk (16 Вт) на 8-омные нагрузки. Broskie DC серво петля сохраняет выходное смещение постоянного тока свободным.

Сервопривод Broskie DC защищает динамик в случае выхода из строя 6DJ8, его отсутствия в гнезде или просто остывания. Диод раздражается только тогда, когда катодное напряжение падает ниже выходного напряжения операционного усилителя. С катодным повторителем это может оказаться проблемой, так как катод должен совершить колебания +/- 20 В пк. Именно здесь вступает в действие второй конденсатор 0,1 мкФ на входе. Он подает сигнал переменного тока на неинвертирующий вход операционного усилителя, поэтому выход операционного усилителя следует за входным сигналом.

На выходе 16 Вт искажение выглядит практически идентично тому, которое было в предыдущей гибридной схеме. Если бы я на самом деле собирал этот усилитель, я бы использовал по крайней мере два полевых МОП-транзистора на канал, что, несомненно, еще больше снизило бы искажения.

Я сохранил самые интересные схемы для конца. В поисках большего количества моих односторонних конструкций я обнаружил следующий буфер, который смешивал класс A, односторонний с классом C.

Не выглядит интересно? Возможно, нет, но подождите. Я запустил SPICE-симуляцию на схеме и заметил небольшую вертикальную линию в нижней половине синусоиды, где NPN-транзистор отключился, но PNP еще не начал работать, но там, где источник постоянного тока по-прежнему вытащил выходное напряжение вниз. Противоположность надреза кроссовера, больше скольжения кроссовера.

Обходной путь был очевиден: просто поместите другой диод в ряд с существующим, чтобы транзистор PNP включился раньше.

Ну, я не получил то, что хотел, поскольку транзистор PNP включился на холостом ходу, потребляя 160 мА. Какого черта, подумал я и запустил SPICE-симуляцию. Сначала я был разочарован результирующим графиком Фурье, поскольку он показал типичную двухтактную выходную ступенчатую гармоническую структуру. Я был неправ. Вглядываясь в сюжетные линии, я понял, что это совсем не то, чего я ожидал.

Давай начнем с самого начала. Несимметричные (и лучшие двухтактные выходные каскады класса A) демонстрируют следующий прогресс от 2-й до 9-й гармоники основной частоты.

Я отметил хорошо звучащие гармоники четного порядка со счастливыми лицами и странно звучащие нечетные гармоники с грустными лицами. 3-я гармоника создает мертвый глухой звук; 5-й - резкий, резкий звук; 7-й и 9-й, для оглушительного металлического звука. (Я настоятельно рекомендую вам посетить Mathemagicalmusic сайт для получения дополнительной информации о гармониках.)

Типичный двухтактный выходной каскад, будь то трубчатый или твердотельный, дает следующую последовательность, где четные гармоники падают дальше, чем нечетные гармоники.

То, что я видел, было похоже: зубчатый зуб пилы, но что-то радикально другое, очень похожее на человека, кусающего собаку.

Без моей цветовой маркировки было легко думать, что я вижу ту же самую старую вещь. Я не был Там было кусаться, но мужчина не получил немного.

Вот анимированный GIF, который я создал из 28 SPICE-симуляций, которые я запускал с шагом 1 В входного сигнала.

В целом интересно, нет? Поймите, что это не то же самое, что класс AB и класс C из пост 333 ,

И при этом это не односторонний плюс класс C из того же поста, так как транзистор PNP не отключается на холостом ходу, а потребляет 160 мА.

Вместо этого это надежный класс AB, двухтактный режим плюс источник постоянного тока. Действительно, этот выходной каскад не вписывается ни в одну обычную классификацию, как показано на следующем графике.

Здесь толстая голубая сюжетная линия принадлежит NPN-транзистору; зеленая линия, транзистор PNP; и фиолетовая линия, источник постоянного тока. Мы только смотрим на текущие потоки здесь, без напряжений. Обратите внимание, что устройство NPN никогда не выключается, конечно, PNP-транзистор. Также обратите внимание на асимметрию, поскольку NPN-транзистор должен пропускать пик 3А, в то время как PNP-транзистор должен проходить только пик чуть более 1,6 А, в то время как 8-омная нагрузка видит пиковый ток 2А. Хорошо, теперь ваша очередь, в каком классе работает этот выходной каскад?

Конечно, если бы этот выходной каскад был вложен в усилитель мощности, не потребовались бы соединительные конденсаторы.

Обратите внимание, что источник постоянного тока, который питает диодную цепочку, должен нагреваться, скажем, до 100 мА. Одним из обходных путей является использование ступени драйвера, состоящей из пары MJE15032-MJE15033. Фактически, использование такой пары управляющих транзисторов позволило бы нам использовать конденсаторы связи, но гораздо меньшие по стоимости, чтобы мы могли управлять выходным каскадом с помощью обычного линейного линейного усилителя.

Удивительно, но эта версия дала даже более низкое искажение, чем предыдущая версия.

Как ни странно, мои добавленные попытки еще больше улучшить схему путем добавления эмиттерных резисторов и каскадирования выходного транзистора NPN только разрушают инвертированную гармоническую структуру, где нечетные гармоники падают дальше, чем четные гармоники.

Всем моим покровителям, всем 20 из них, еще раз спасибо всем, и я хочу особенно поблагодарить Конкордио Анаклето. Ваша поддержка имеет большое значение. Если вы не один из моих покровителей, почему бы и нет?

Просто нажмите на любое из приведенных выше изображений, чтобы загрузить PDF-файл руководства пользователя. Кстати, все ссылки на руководства пользователя PCB, показанные справа, теперь работают.

Так как я все еще получаю электронное письмо с вопросом, как купить эти программы GlassWare: