Acrobazie di cascate di lampade. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Amplificatori di potenza a valvole

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Chiunque abbia almeno un po' di familiarità con i circuiti a valvole sa che gli stadi di amplificazione a valvole si distinguono solitamente per la loro estrema semplicità e per un numero ridotto di elementi. Questo fattore, insieme alla naturale linearità delle valvole, viene solitamente citato come argomento quando si cerca di spiegare la superiorità del suono delle valvole rispetto al suono dei transistor. Bisogna ammettere che una tale spiegazione è molto convincente dal punto di vista del buon senso. Inoltre, è così spesso confermato nella pratica nell'analisi dei circuiti dei migliori componenti audio a valvole che pochi pensano di provare a sfidarlo.

Il motto principale degli sviluppatori della tecnologia delle lampade è questo: più semplice, migliore e più affidabile (purtroppo, il concetto di "più economico" non è incluso qui, anche se logicamente sembra suggerire se stesso). Quindi, diamo un'occhiata a uno stadio di amplificazione resistivo a bassa potenza convenzionale su un triodo con un catodo comune. Il resistore di carico dell'anodo, il resistore di polarizzazione automatica del catodo, il resistore di dispersione della griglia e il triodo stesso - che, in effetti, è l'intera cascata. Più precisamente, la sua versione base (Fig. 1).

Fig. 1

Il resto sono elementi di comunicazione con altri stadi o blocco del feedback di corrente negativa locale (smistamento del resistore catodico con un condensatore) o un divisore nel circuito del catodo per un'organizzazione più complessa della polarizzazione o filtri di disaccoppiamento per i circuiti di alimentazione , o circuiti di correzione. Solitamente anche la presenza di tutti questi componenti aggiuntivi non rende lo stadio di amplificazione a valvole molto più complicato di quanto vediamo in fig. 1. Tutto è estremamente chiaro e semplice (a prima vista). È noto che il guadagno di stadio a metà della gamma di frequenze è (in assenza di feedback negativo locale): K=-R_a/ (R_i+R_a) (tenendo conto della resistenza di ingresso dello stadio successivo R_{in 2} invece di R_a Si usa R_n.eq=R_a|| R_{in 2}, e la resistenza di uscita Z_O=R_iDove=SR_i - fattore di amplificazione della tensione della lampada; S - pendenza; R_i - resistenza interna della lampada; R_a - resistenza al carico anodico.

È noto che per un tale stadio a triodo, il guadagno reale è solitamente (0,6-0,8) e dipende da R_a, così come altri parametri dello stadio: corrente di riposo, larghezza di banda, slew rate, linearità, tensione di uscita massima non distorta, corrente di uscita massima. Di solito R_a molte volte maggiore di R_i, mentre è possibile ottenere valori accettabili dei parametri elencati. Ma le possibilità di una cascata su un triodo sono limitate e poiché, alla ricerca di un parametro, altri, non meno importanti, di solito soffrono, il grado di libertà per variare i valori di resistenza del carico anodico e dell'auto-bias del catodo è piccolo.

Lo stesso si può dire per la tensione di alimentazione dell'anodo e la corrente di riposo, poiché quasi tutte le lampade "suonano" meglio al limite della dissipazione di potenza dell'anodo (anche se non sempre). Tuttavia, anche all'interno di questi "limiti della creatività" relativamente stretti, non è così facile trovare la modalità di funzionamento ottimale di una particolare lampada in una particolare cascata, tenendo conto delle cascate precedenti e successive. In questo caso, la modalità ottimale è intesa come la modalità che fornirà il suono migliore e non registrerà parametri o splendidi oscillogrammi. Forse è proprio la contraddizione reciproca dei vari parametri dello stadio di amplificazione e l'ambiguità della loro dipendenza dagli stessi fattori che sono la ragione della debole correlazione tra i valori digitali di questi parametri e la qualità del suono.

Quindi, se si insegue la massima linearità, bisogna aumentare il valore del carico anodico, che, partendo da un certo valore, influenzerà negativamente la larghezza di banda, le proprietà dinamiche della cascata e il guadagno, che, con un prezzo esorbitante grande resistenza di carico, inizia a diminuire, poiché diminuisce la corrente di riposo e la pendenza della lampada. Inoltre, anche la capacità di sovraccarico della cascata diminuisce drasticamente. Pertanto, anche il prezzo per l'altissima linearità è proibitivo, poiché devi pagare con la qualità del suono del dispositivo nel suo insieme. Si scopre che paghiamo con la qualità del suono per la linearità, e non viceversa, come dovrebbe essere.

Questo ricorda la favola di Krylov "Il cigno, il gambero e il luccio", solo che il cigno in questo caso non è un uccello (e non un generale), ma il fattore di amplificazione, il cancro è la linearità della cascata, e il luccio... In una parola, le cose sono ancora lì. Dove questi personaggi intrattabili sono in relativa pace e armonia. Pertanto, se uno stadio del triodo non è in grado di fornire l'amplificazione necessaria, è necessario installarne un secondo. E per ottenere buone proprietà dinamiche, a volte bisogna accontentarsi di un modesto guadagno, riducendo il carico anodico e aumentando la corrente di riposo dello stadio. Anche nella fase di amplificazione più semplice, molte sottigliezze e fenomeni difficili da spiegare emergono quando si tratta del "giudizio ultimo": l'ascolto.

Quindi, riassumiamo: nello stadio dell'amplificatore su un triodo a valvole, vari parametri, ognuno dei quali ha un effetto tangibile sulla qualità del suono dell'intero dispositivo, sono in reciproca contraddizione, ed eccessivo zelo quando "tira" uno di questi parametri inevitabilmente porta al deterioramento degli altri. Tuttavia, c'è un modo per uscire da questo circolo vizioso.

Dopotutto, finora abbiamo parlato dello stadio di amplificazione su un singolo triodo. E se combini due triodi nella stessa fase? Questo, ovviamente, va contro il concetto di massima semplicità, ma a volte, invece di aumentare il numero di cascate semplici, puoi risolvere lo stesso problema complicando (e poco significativo) una cascata. A seconda del tipo di attività impostata, puoi scegliere una delle opzioni per una cascata così complicata su due triodi. Devo dire che ce ne sono moltissimi e sono stati inventati molto tempo fa. Ad esempio, un cascode (Fig. 2) consente un forte aumento del guadagno e allo stesso tempo della banda larga, e quindi, insieme ai pentodi, ha trovato ampia applicazione nei ricevitori televisivi e radiofonici. Alcune aziende di fascia alta di fama mondiale utilizzano i cascode nei dispositivi di amplificazione delle frequenze audio (ad esempio, Sonic Frontiers).

Fig. 2

Si può discutere sull'opportunità di utilizzare i cascode nelle apparecchiature audio e gli oppositori di questo di solito si riferiscono al fatto che le caratteristiche di uscita dei cascode degenerano da triodo a pentodo. Sì. Ma dopotutto, i pentodi non sono sempre cattivi: la domanda non è cosa usare, ma come e dove. Indubbiamente, nella maggior parte dei casi, è preferibile il triodo, ma nei singoli circuiti (il più delle volte ausiliari) il pentodo non ha eguali. Ad esempio, grazie all'alto e R_i il pentodo non ha eguali nelle sorgenti di corrente stabili, ad eccezione dei transistor ad effetto di campo con gate isolati. Ma questo è un mondo completamente diverso, e sebbene aziende come Audio Research abbiano avuto un certo successo nello sviluppo e nell'implementazione di topologie ibride, personalmente non ho dubbi sul fatto che se fossero stati usati pentodi al posto dei MOSFET, molti dei loro prodotti suonavano molto più musicali. E ricordiamo i registratori professionali dell'epoca d'oro della registrazione del suono magnetico degli anni '50 e '60 (ad esempio, Telefunken). Molti di loro avevano un pentodo EF86 (simile a 6Zh32P) nel primo stadio dell'amplificatore di riproduzione.

Ma torniamo dai tentativi di amnistia ai pentodi condannati all'ergastolo da tanti audiofili ai puri triodi. La prossima cascata che vedremo è molto simile a un cascode. Questi sono anche due triodi, uno dei quali è "appollaiato" sulle spalle dell'altro. Sì, questo "circo in tubo" provoca in molti un sorrisetto scettico e, probabilmente, può essere seguito da un flusso di osservazioni moralizzanti come "un uomo - mi dispiace, un triodo - deve camminare sulla terra!" Ma in un modo o nell'altro, questa cascata merita attenzione, poiché fornisce un miglioramento tangibile simultaneo di diversi parametri importanti: stabilità della modalità, linearità, impedenza di uscita, banda larga, capacità di sovraccarico e sensibilità alle interferenze e all'ondulazione della tensione di alimentazione dell'anodo. Per quanto riguarda il suono, tutti sanno che gli amplificatori Audio Note e Saga Audio Designs non suonano affatto male! Sono queste aziende che sono più spesso utilizzate come input o stage driver, mostrate in Fig. 3a. Viene spesso chiamato SRPP (SRPP - Shunt Regulated Push Pull).

Riso. 3a

Lascia che la decodifica di questa sigla non ti inganni: il "push-pull" qui è espresso solo nei segnali antifase dei triodi superiore e inferiore. Con lo stesso successo, un classico circuito di due triodi collegati in cascata potrebbe essere chiamato "push-pool" - c'è anche un segnale antifase. Pertanto, SRPP non è un nome completamente corretto che ha messo radici nella letteratura. Puoi anche vedere l'abbreviazione TTSA (Two Tube Series Amplifier - a two-tube series amplifier), sebbene possa piuttosto fungere da etichetta generale per tutti gli stadi di una configurazione verticale, inclusi i cascodes. In russo, la nostra cascata si chiama semplicemente e chiaramente: una cascata di amplificazione con un carico dinamico. Ed è questo nome che riflette in modo più accurato la sua essenza (quel raro caso in cui la lingua russa si è rivelata più concisa dell'inglese). C'è anche un nome russo più esotico: una cascata con "resistori elettronici" nel circuito di carico dell'anodo (TV Voishvillo. Dispositivi di amplificazione. M., Svyaz, 1975).

Quindi, invece del solito resistore di carico anodico, la cascata SRPP ha un secondo triodo nel circuito dell'anodo, la cui polarizzazione della griglia è impostata dal resistore R_к2. Quando sulla griglia V1 appare una semionda positiva del segnale, la corrente del triodo inferiore aumenta, il che porta ad un aumento della caduta di tensione attraverso il resistore R_к2, e questo, a sua volta, riduce la corrente del triodo superiore V2. C'è una tendenza verso una corrente anodica stabile, che ora è meno dipendente dalle variazioni del segnale di ingresso rispetto a uno stadio di amplificazione resistivo convenzionale. Carico combinato - triodo V2 e resistore R_к2 - in termini di proprietà, inizia ad avvicinarsi a una fonte di corrente stabile.

Cosa c'è di buono? È noto che una sorgente di corrente stabile ha un'elevata resistenza interna, che è uguale all'infinito per una sorgente di corrente ideale (questa, ovviamente, è un'astrazione matematica). E ora ricorda che la cascata del triodo è più lineare, maggiore è la sua resistenza al carico. Non è possibile risolvere questo problema frontalmente, come accennato in precedenza (aumentando arbitrariamente il carico anodico), poiché altri parametri altrettanto importanti della cascata ne risentono. Resta solo da "ingannare" il triodo credulone V1, mentre la sua resistenza di carico "raddoppia": per corrente continua è piccola e uguale a (R_к2+R_ivk2), che garantisce la modalità normale della cascata senza aumentare la tensione dell'alimentazione dell'anodo, e per la corrente alternata (o resistenza di carico dinamico) può essere molto maggiore ed è determinata dal valore di R_к2 e guadagno di tensione del triodo superiore: R_{n. din.}=R_к2(1 +)+R_i(VI2).

Ciò consente di ottenere un guadagno leggermente superiore dello stadio SRPP rispetto allo stadio di amplificazione convenzionale. E poiché il segnale di uscita viene prelevato dal catodo V2, la resistenza di uscita è molto più bassa. In realtà, nel caso in cui una tale cascata operi su un carico a resistenza relativamente bassa, si può ottenere un guadagno molto significativo sia in guadagno che in larghezza di banda. Sì, e le proprietà dinamiche, a condizione che vi sia una sufficiente corrente di riposo della cascata, possono essere ottenute in modo molto impressionante (qui è importante tenere conto non solo della velocità della cascata, ma anche di quanto può essere data la corrente del segnale al carico).

Per questi motivi la cascata SRPP ha trovato applicazione nei circuiti di amplificazione video, dove era necessario garantire il massimo valore del prodotto, così come nei circuiti flip-flop ad alta velocità (A.P. Lozhnikov, EK Sonin. Amplificatori Cascode. M., Energia, 1964), probabilmente molto prima che qualcuno avesse l'idea di provarlo nei circuiti di amplificazione delle frequenze sonore. I suoi vantaggi sono particolarmente pronunciati quando si opera in circuiti dove la capacità del carico parassita è piuttosto elevata (questa categoria comprende alcuni circuiti di pilotaggio che operano su un gran numero di lampade di uscita collegate in parallelo o su lampade singole con un'elevata capacità dinamica di ingresso). Sulla fig. 3b mostra la dipendenza del guadagno della cascata SRPP dal doppio triodo 6N3P (=35, r_i\u5,8d XNUMX kOhm) dalla resistenza di carico equivalente a vari valori di R_к2 (la curva 1 corrisponde a una cascata convenzionale con un catodo comune, il resto - SRPP: 2 - a R_к2=360 ohm; 3-R_к2=560 ohm; 4-R_к2\u820d 3 Ohm) In fig. XNUMXc mostra la dipendenza della resistenza di uscita della cascata SRPP dal valore di R_к2. Sulla fig. 3d sono fornite per confronto le caratteristiche transitorie della cascata SRPP (in alto) e della cascata convenzionale (in basso) su 6N3P (curva 1 - a C_н=5 pF; 2-C_н=15 pF; 3-C_н=30 pF; 4-C_н=55 pF).

Riso. 3b

Riso. 3c

Riso. 3 g

Tuttavia, SRPP non è il sogno finale. E per questo motivo: sebbene il carico anodico combinato della cascata, come già accennato, acquisisca alcune proprietà di una sorgente di corrente stabile, ma a causa del relativamente piccolocaratteristica dei triodi, V2 manca della "potenza di amplificazione" per compensare sufficientemente la caduta di tensione su R_к2causato da una variazione della corrente del segnale. Esistono due modi per risolvere questo problema: utilizzare un pentodo anziché un triodo come V2 o aumentare il livello del segnale sulla griglia V2. Il primo percorso porta al circuito mostrato in Fig. 4, e il secondo - al cosiddetto "SRPP rinforzato", che si ottiene anche più complicato (Fig. 5).

Fig. 5

Il fatto è che per aumentare significativamente il livello del segnale sulla griglia V2 semplicemente aumentando il resistore R_к2 fallisce, poiché la posizione del punto di lavoro della cascata dipende anche dal valore della stessa resistenza, e se ci si lascia trasportare in questo modo oltre misura, si possono perdere tutti i vantaggi della cascata SRPP (in primis, la capacità di sovraccarico si deteriorerà). Ma puoi andare oltre lungo il percorso dei triodi creduloni ingannevoli, che ora "ingannano" anche V2: predispone la polarizzazione della griglia richiesta usando un divisore (R_к2 R_a), che sostituirà R_к2, che darà più libertà nel variare il livello del segnale sulla sua griglia (che sarà proporzionale al resistore inferiore del divisore), e applicherà questo segnale attraverso il condensatore C_a.

Il guadagno di una tale cascata può già essere raggiunto abbastanza vicino il triodo inferiore (non dobbiamo dimenticare che è lui che rimane il principale "attore" che determina il funzionamento della cascata, e tutto il resto serve solo a creare per lui le migliori "condizioni di lavoro"). Pertanto, la cascata amplificata di SRPP nella letteratura straniera è chiamata "Mu Follower" - "ripetitore". E ancora, questo nome spettacolare è alquanto arbitrario, dal momento che l'SRPP potenziato, sebbene sia selezionato abbastanza vicino in termini di guadagno al valore triodo inferiore, ma ancora non lo "ripete". Inoltre, lascia la possibilità, utilizzando un pentodo come lampada superiore e ulteriore complicazione del circuito, di ridurre ulteriormente la distanza tra il guadagno effettivo e il valore abbassare la lampada, abbassando l'impedenza di uscita già bassa ed espandendo la gamma dinamica. Questa cascata (Fig. 6) sulle pagine della rivista "Glass Audio" si chiama "(-cascade" (Allan Kimmel. The Mu Stage//Glass Audio, 1993, N2).

Fig. 6

Le caratteristiche strutturali di questa cascata offrono ampie possibilità di scelta delle correnti di riposo delle lampade superiore e inferiore. Le correnti in questo caso possono essere diverse, poiché la polarizzazione del pentodo è impostata da un divisore separato (R_к2, R'_к2), che contribuisce anche ad un ulteriore decremento della resistenza di uscita (e, ovviamente, a equalizzarla per le semionde positive e negative del segnale di livello sufficientemente alto, quando può manifestarsi un effetto "push-pull", cioè , la pendenza dei fronti di salita e di discesa di un impulso rettangolare nel caso generale può essere diversa).

Il valore del carico anodico del triodo R_a può anche essere variato entro certi limiti. Il pentodo, invece, può essere considerato un inseguitore catodico con un coefficiente di trasmissione molto vicino all'unità. Pertanto, qualsiasi variazione del valore istantaneo della tensione all'anodo o al terminale inferiore del resistore R_a, viene tracciato con elevata precisione dal catodo follower sul pentodo V2, che appare al terminale superiore R_a, e quindi la caduta di tensione su R_a quasi costantemente e non dipende dal segnale: questa è la vera (non ideale, ovviamente, ma molto vicina ad essa) fonte di corrente stabile.

Ovviamente chi soffre di allergie ai pentodi può utilizzare anche un triodo come V2, ma otterrà parametri più modesti. Un inseguitore catodico triodo ha tipicamente un guadagno K di circa 0,9, mentre un pentodo può facilmente fornire 0,995 o più. Ora prendiamo R_a pari a 6,8 kOhm e calcolare la resistenza dinamica del carico anodico della cascata: R_{n. din.}=R_a/(1-K). Nel nostro esempio R_{n. din. triodo.}\u68d XNUMX kOhm e R_{n. din. pentito.}\u1,36d 20 MΩ. La differenza è XNUMX volte! I seguaci di Cathode, tra l'altro, godono anche di una reputazione tutt'altro che impeccabile tra gli audiofili tecnicamente alfabetizzati. Tuttavia, secondo lo stesso Allan Kimmel, in un tale schema, un seguace del catodo su un pentodo è proprio ciò di cui hai bisogno.

In generale, i pentodi nei follower catodici danno risultati molto migliori sia in termini di parametri (impedenza e attenuazione di uscita inferiori) che di suono. Inoltre, Allan Kimmel scrive di aver sperimentato a lungo con tutte le cascate di valvole sopra descritte in tutti i modi possibili, e tutte, essendo correttamente implementate, suonano molto bene e, soprattutto, precisamente-cascata. È particolarmente buono come driver, triodi di uscita "oscillanti" con un piccoloche richiedono un'ampia oscillazione della tensione del segnale. I parametri ottenuti da Kimmel-cascade (Fig. 7) sono molto, molto impressionanti: impedenza di uscita 100 ohm, oscillazione del segnale di uscita 215 V con un coefficiente armonico di 0,7% e una tensione di alimentazione anodica di 300 V, gamma di frequenza per livello (-3dB) 0,28 Hz - 1 MHz.

Fig. 7

Il triodo è il noto 6DJ8 (analogo al 6N23P), di cui entrambe le metà sono parallele, il che incide favorevolmente sulla resistenza di uscita (secondo Kimmel, lo ha fatto anche perché non poteva venire a patti con il fatto che una metà di il triodo "ciondolava al minimo" ). Pentodo - 12GN7 (l'analogo è sconosciuto, ma questo non è importante: qualsiasi pentodo con un, in grado di funzionare alla corrente di riposo richiesta, facile da determinare in base alla modalità di corrente consigliata 6N23P; 6Zh9P si mostrerà sicuramente bene). Ma non è la fine della storia. In Glass Audio's N5 1996, Allan Kimmel ha pubblicato un articolo intitolato "A Direct-Coupled Mu Stage" (-cascata con collegamento diretto), in cui ha portato un'opera d'arte circuitale ancora più perfetta (Fig. 8).

Fig. 8

Difficile dire se l'idea di creare questa cascata gli appartenga, o se l'abbia presa in prestito dalla vecchia letteratura sulle lampade (del resto, capita spesso che molte innovazioni risultino anzi due volte più vecchie dei loro "inventori "). Comunque sia, l'idea è molto originale: se le cascate precedenti assomigliavano a una "piramide vivente" in un'arena circense, allora questa attinge da acrobati aerei con un trapezio volante. Condensatore perso C_a, il collegamento tra l'anodo del triodo e la griglia di controllo del pentodo è ora galvanico; allo stesso tempo, viene introdotta una fonte di alimentazione a griglia a schermo stabilizzato galleggiante e anche l'anodo del triodo riceve energia da esso. Inizialmente, in questo schema, l'obiettivo era escludere la catena R che "carica" ​​l'uscita della cascata_э C_э, sebbene la sua influenza non sia stata in alcun modo drammatica.

In un modo o nell'altro, i record dei parametri dello stadio precedente (Fig. 7) sono stati infranti: l'impedenza di uscita è scesa a 80 Ohm, l'oscillazione massima della tensione di uscita non distorta ha raggiunto 269 V con un coefficiente armonico dello 0,9% e il stessa alimentazione dell'anodo (300 V), la gamma di frequenza è stata superata a causa dell'assenza di un condensatore di transizione C_a ora inizia con F_н(-3dB)=0,15Hz, Fa_в(-3 dB) è rimasto lo stesso: 1 MHz. Per non riavvolgere il trasformatore di potenza, Kimmel ha trovato una soluzione molto ingegnosa per organizzare una sorgente galleggiante: ha installato un piccolo trasformatore a incandescenza e lo ha acceso "da dietro", applicando una tensione alternata di 6,3 V all'avvolgimento secondario, e collegato un ponte raddrizzatore e un semplice stabilizzatore a transistor all'avvolgimento primario, dal quale vengono rimossi i 75 V richiesti. Anche questo metodo non standard è buono perché un alimentatore così compatto può essere posizionato in prossimità della nostra cascata, impedendo così il segnale dal "roaming" lungo i lunghi fili di collegamento che portano a una fonte di alimentazione comune. Anche se, se c'è un buon disaccoppiamento, questo problema può essere probabilmente risolto in modo tradizionale, utilizzando un trasformatore di alimentazione con un avvolgimento separato.

Abbiamo quindi considerato diversi circuiti a tubi, ognuno dei quali è caratterizzato da una configurazione verticale. Ci sono altre cascate verticali, in particolare i seguaci del catodo complessi (come il seguace del catodo di White).

Poiché in questo caso si trattava di stadi di amplificazione di tensione, in questo articolo non toccheremo i follower catodici. Questa è una vita separata con le sue piaghe e le sue medicine per loro. Inoltre, i tipi considerati di cascate di amplificazione in molti casi eliminano completamente la necessità di follower catodici, combinando le proprietà di un amplificatore e di un buffer (proprio come il famoso shampoo con balsamo Pantin Pro-Vee - due in uno!).

Come spesso accade, ogni cascata successiva ha parametri migliori della precedente, ma allo stesso tempo diventa più difficile. Più avanti nella foresta - maggiori dettagli. Pertanto, vorrei consigliare a quei lettori che decidono di provare qualcosa da questo articolo "per suono" di non essere massimalisti e di non puntare immediatamente alla versione "più cool" degli schemi di cui sopra, ma di iniziare in modo semplice. Chissà, forse in un particolare progetto di un amplificatore o altro dispositivo, qualche circuito intermedio in termini di complessità e parametri suonerà meglio. Personalmente, a prima vista, la cosa più vicina a me (finora solo speculativamente) è il circuito SRPP con un pentodo.

Autore: Artur Frunjyan; Pubblicazione: cxem.net

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