Евгений Карпов
В статье анализируется возможность создания лампового линейного усилителя, не содержащего емкостей в цепях прохождения сигнала. Рассмотрены особенности работы таких усилителей и приведен один из вариантов его технической реализации.
Ламповые усилители скорее чудачество, чем необходимость, я вполне осознаю возможности современных технологий и элементной базы, но существует некое иррациональное очарование в мерцающих лампах и в их звуке…
Золотая мечта
Стремление многих разработчиков укоротить длину звукового тракта и уменьшить число элементов в нем вполне обоснованно и понятно, меньше элементов - меньше искажений. Ламповая схемотехника, вообще, довольно лаконична, и предоставляет благоприятное поле деятельности в этом направлении.
Так как саму лампу, как усилительный элемент, удалить невозможно, усилия разработчиков направлены на уменьшение числа пассивных элементов, через которые проходит звуковой сигнал.
Условно можно выделить два подхода к достижению этой цели. Первый из них - это полный отказ от использования резисторов и конденсаторов и использование исключительно трансформаторных связей. Несмотря на строгую завершенность таких схем и их внешнюю простоту, я усматриваю в них один существенный недостаток - сами согласующие трансформаторы. И вопрос здесь не столько в их стоимости, хотя это тоже немаловажно, а в том, что они сами являются существенно нелинейными элементами и их паразитные параметры искажают частотную и фазовую характеристику усилителя.
Мне кажется, что перспективнее менее радикальный подход - устранение из классических резистивных ламповых каскадов элемента, вызывающего наибольшие споры о влиянии на звук - разделительных и блокирующих емкостей. Собственно говоря, такие схемы известны давно [1], но схемотехника усилителей постоянного тока очень редко применяется в усилителях низкой частоты. Этому существует несколько объяснений. Говорить об усилителях, выполненных по структуре МДМ (модулятор - демодулятор), вообще не имеет смысла, так как в них дважды производится перенос спектра входного сигнала, что отнюдь не улучшает его качества. Другое дело - усилители прямого усиления, но и здесь возникает достаточно много проблем, связанных со стабилизацией режима по постоянному току и способами реализации цепей сдвига уровня.
Давайте теперь посмотрим на эти проблемы с "высот" наших теперешних знаний и с позиций использования такого усилителя в звуковом тракте. Так как нам нет необходимости усиливать постоянный ток и вполне достаточно иметь линейную частотную характеристику с 15?20Hz, то проблема стабилизации режима по постоянному току практически снимается. Для этого достаточно охватить ламповую схему глубокой ООС по постоянному току. При выборе частоты среза этой ООС на уровне долей Герца [2] ее влиянием на звуковой сигнал можно пренебречь, а использование в этой цепи мало-мальски приличного операционного усилителя обеспечит на ее выходе "мертвый" ноль в состоянии покоя.
Более пристальное внимание следует уделить цепям сдвига уровня. Нас заведомо не устроят цепи, содержащие нелинейный элемент в цепи сигнала, например, стабилитрон или активный элемент (следует отметить, что таким элементам присущи и значительные собственные шумы). Боле привлекательными с аудиофильских позиций выглядят варианты, где для смещения используется либо источник постоянной ЭДС (Рис. 1а), или линейный резистор и источник тока (Рис. 1б). Для удобства дальнейшего изложения назовем схему, показанную на рисунке 1б, каскадом с токовым смещением. Конечно, схема на рисунке 1а подкупает своей простотой и бескомпромиссностью, но очень неудобна в реализации. Кроме того, что величина напряжения смещения Ebias достигает сотен вольт, неудобно стабилизировать режим по постоянному току (хотя возможно).
Схема, показанная на рисунке 1б, представляет для нас наибольший интерес. Цепь смещения работает следующим образом. Через резистор смещения Rbias протекает постоянный ток смещения Ibias, который определяется током источника тока Ib и не зависит от величины потенциалов на аноде первой лампы и в точке А. Соответственно, под действием этого тока на резисторе Rbias выделяется постоянное напряжение Ubias с полярностью, указанной на рисунке 1б. Совершенно очевидно, что потенциал в точке А (на сетке второй лампы) будет определяться разностью потенциалов Ua-Ubias. Фактически, резистор Rbias и источник тока Ib образуют регулируемый источник ЭДС с внутренним сопротивлением Rbias.
Теперь обратимся к эквивалентной схеме такого каскада по переменному току (Рис. 2а). Лампа на ней представлена как источник эквивалентной ЭДС -µUg с выходным сопротивлением ri, а последующий каскад представлен как эквивалентная входная емкостью Ce (в эту емкость также включена емкость монтажа и выходная емкость источника тока Ib). Сеточный резистор в этой схеме не требуется, его роль выполняет источник тока Ib. Из нее видно, что в цепи сигнала находится только линейный резистор Rbias, а источник тока смещения включен параллельно нагрузке и при надлежащем исполнении влияния на сигнал не оказывает (напомню уважаемым читателям, что источник тока имеет бесконечно большое сопротивление по переменному току, следовательно, ток сигнала через него не протекает.).
Но из этой же схемы достаточно ясно видны и недостатки такого решения. Так как сопротивление Rbias включено последовательно в цепь сигнала, то из-за наличия емкости Ce, естественно, образуется частотнозависимый делитель полезного сигнала. Это приводит к ограничению частотных свойств усилителя.
Для оценки влияния цепи смещения проведем более детальный анализ эквивалентной схемы; для большей наглядности целесообразно проводить сравнение с классическим резистивным каскадом. Для упрощения вычислений примем значение разделительной межкаскадной емкости равным бесконечности. Это никак не повлияет на результаты анализа в области средних и высших частот. Такое упрощение вполне соответствует реальности, так как влияние разделительных емкостей в указанном диапазоне частот пренебрежимо мало. Фактически, такой каскад в области средних и высших частот по своим свойствам полностью эквивалентен схеме, показанной на рисунке 1а.
Модуль коэффициента передачи такого резистивного каскада определяется выражением –
(1)
где rL – эквивалентное активное сопротивление нагрузки каскада (фактически, RL=Rg). А модуль коэффициента передачи каскада с токовым смещением определится выражением -
(2).
Даже поверхностный взгляд на эти выражения позволяет сделать некоторые выводы: появление в знаменателе выражения (2) дополнительного частотнозависимого члена, зависящего от Rbias, подтверждает сделанные ранее выводы, что частотные свойства каскада хуже, а вот коэффициент передачи в области низких частот будет выше, в виду отсутствия rL. Теперь выясним, на сколько ухудшатся частотные свойства.
Разделив выражение (2) на выражение (1), мы получим параметр ?к, характеризующий относительный коэффициент передачи каскада с токовым смещением –
(3).
Анализ этого выражения позволяет оценить влияние различных элементов эквивалентной схемы на параметры каскада. Как вы видите, выражение громоздкое, а его аналитический анализ еще более неудобоварим, поэтому я вам предложу только результаты анализа, причем не абстрактной схемы, а вполне реального каскада. На звание "типового" вполне может претендовать резистивный каскад на лампе 6Н8С. Полученные результаты с небольшой ошибкой можно распространить на каскады, реализованные на большинстве типов широко распространенных ламп.
Анализ проводился при следующих исходных данных – режим лампы был зафиксирован, то есть значения RA и ri не изменяются, величина rL была выбрана достаточно произвольно и тоже зафиксирована, емкость Ce соответствует сумме входной емкости такого же каскада и паразитных емкостей монтажа и источника тока. Фактически, эти условия соответствуют реальному режиму работы, когда RA и ri выбираются, исходя из достижения максимальной линейности, а Ce - реальность жизни. Хотя если быть точным, ?к зависит от величины RA и ri, но в меньшей степени, чем от Rbias и Ce.
Численные значения параметров были выбраны следующие: ri=9k?, RA=20k?, RL=30·RA, Ce=70pF. График значения ?к, как функции от Rbias и ?, показан на рисунке 3.
Величина Rbias изменяется от 20k? до 200k?, а частота от 0 до 20kHz с шагом 1kHz.
Какие же выводы можно сделать, анализируя график? Совершенно очевидно, основной проблемой при использовании каскада с токовым смещением является неудовлетворительная частотная характеристика. Из графика видно, что для получения приемлемой частотной характеристики необходимо уменьшать величину Rbias.
Но в реальном каскаде уменьшить величину Rbias менее некоторого значения проблематично. Это связано с тем, что уменьшение Rbias требует соответствующего увеличения тока смещения, ведь нам необходимо получить на нем вполне определенное падение напряжение. Вернувшись к рисунку 1а, мы видим, что через резистор RA протекает сумма тока лампы IVL и тока смещения Ibias, так как режим лампы зафиксирован, то увеличение тока смещения возможно только за счет повышения напряжения питания E1. Но здесь существует ограничение по максимальному напряжению на аноде лампы.
Например, лампа 6Н8С допускает напряжение на аноде 330V при выбранном режиме и величине тока через лампу около 4.7mA, напряжение на ее аноде составляет около 180V, соответственно на резисторе RA падение напряжения составит: RA · IVL = 20k?·4.7mA = 94V, примем эту величину с некоторым запасом равной 110V. Просуммировав эти два напряжения, мы получим минимальное значение напряжения E1 110V+180V = 290V. Значит, мы имеем запас напряжения 330V -290V=40V, это позволит нам пропустить через RA дополнительный ток, равный 40V/20k?=2mA. Если мы хотим привести напряжение в точке А (Рис. 1) к нулю, то величина Rbias равна 180V/2mA=90k?. В этом случае соотношение Rbias/ RA=2.4 и, посмотрев на график, мы можем оценить размеры наших проблем.
Абсолютные значения Kb нашего каскада, рассчитанные по соотношению (2), для нулевой частоты и частоты 20kHz соответственно равны 12.4 и 9.47, что соответствует неравномерности частотной характеристики -2.3dB. Конечно, с этим можно смириться, но для высококачественного линейного каскада это неприемлемо (реальные параметры будут немного хуже, так как в соотношении (2) не учтена выходная емкость лампы).
Хвост - морковкой!
Практически всегда, если только разработчик не наталкивается на ограничения, связанные с фундаментальными законами физики, существует масса лазеек, позволяющих обойти возникшие ограничения и решить поставленную задачу. Наша проблема не является исключением, можно наметить, как минимум, три пути ее решения. Они не равнозначны по получаемому положительному эффекту и по сложности реализации. Начнем с самого простого и самого плохого.
Большинство маломощных сигнальных ламп имеют сравнимые значения предельного анодного напряжения, отсюда следует простой вывод, что в таком каскаде целесообразно использовать лампы с достаточно высокой крутизной и небольшими рабочими токами.
На рисунке 4 показана зависимость ?к от величины ri (ri изменяется в диапазоне 20?90 k?). Как вы видите, ?к зависит от ri значительно меньше, чем от Rbias, но такой подход существенно уменьшает круг пригодных ламп, и зачастую приводит к уменьшению абсолютного значения усиления и линейности за счет неоптимального соотношения RA и ri.
Более перспективно выглядит следующий путь: это уменьшение величины эквивалентной емкости Ce. Влияние ее на частотную характеристику каскада очевидно (Рис.2а). Кроме конструктивных мер - снижения монтажной емкости, целесообразно всячески снижать входную емкость следующего каскада. Очень значительный вклад в эквивалентную емкость вносит Миллеровская емкость следующего каскада. Для ее уменьшения второй каскад можно выполнить на пентоде или использовать катодный повторитель.
Если вернуться к рассмотренному выше примеру, то использование катодного повторителя снизит величину Ce приблизительно до 25pF. В этом случае каскад будет иметь следующие параметры –
Kb?F=0 =12.41, Kb?F=20 kHz = 11.88, неравномерность частотной характеристики -0.38dB. Как видите, параметры каскада существенно улучшились. Никто нам не запрещает воспользоваться обоими решениями одновременно.
Теперь перейдем к наиболее эффективному, но и наиболее сложному решению проблемы. Перед этим я хочу напомнить читателю о поставленной цели – исключить из цепи сигнала переходные и блокирующие емкости и по возможности укоротить тракт. Это совсем не означает, что я стремлюсь уменьшить общее число компонентов в усилителе. В качестве лирического отступления хочу заметить, что пуристский подход, заключающийся в бездумной минимизации общего числа элементов, мягко говоря, бесперспективен.
Итак, если проанализировать все вышесказанное, то можно сделать вывод, что первоисточником проблем с частотной характеристикой каскада с токовым смещением является противоречие между выбором режима работы каскада по постоянному и переменному току (смотрите первый пример). Линейный резистор RA в цепи анода лампы жестко связывает оба режима между собой, а требования к величине RA с точки зрения получения максимального усиления и минимизации влияния цепи смещения - противоположны. Если мы сможем устанавливать оба режима независимо, то противоречие исчезнет, и мы сможем получить частотную характеристику каскада с токовой связью, приближающуюся к характеристике обычного резистивного каскада.
Такую возможность дает схема, показанная на рисунке 5.
Так как через источник тока IA переменная составляющая тока лампы не протекает, то режимы лампы по переменному и постоянному току становятся независимыми.
Теперь ток источника тока IA можно установить любой величины и, следовательно, обеспечить нужный ток через лампу IVL при любом значении Rbias без существенного увеличения напряжения питания E1 (его все-таки придется немного увеличить для обеспечения нормального режима работы источника тока).
Определим максимально допустимую величину Rbias в зависимости от желаемой частотной характеристики. Для большей наглядности упростим эквивалентную схему каскада (Рис. 6). Как вы видите, все свелось к простейшей RC цепи первого порядка, ее частотная характеристика определяется одним полюсом на ЛАЧХ (Логарифмическая Амплитудно Частотная Характеристика) [3]. Задавшись расположением полюса (частотой среза), можно легко вычислить величину Rbias из соотношения –
(4),
где f – частота среза.
Для правильной передачи фронтов звукового сигнала достаточно задать частоту среза f порядка 100kHz.
Для каскада с токовым смещением, показанного на рисунке 5, модуль коэффициента передачи определится выражением -
(5).
Для подтверждения целесообразности использования такой схемы рассчитаем параметры каскада с двумя источниками тока на лампе 6Н8С. Будем использовать тот же режим лампы, что и в первом примере. Сначала определим допустимую величину Rbias по формуле (4) –
Примем ближайшее стандартное значение - Rbias=15k? и вычислим абсолютные значения Kb каскада по соотношению (5) для нулевой частоты и частоты 20kHz. Они будут соответственно равны 18 и 17.61, это соответствует неравномерности частотной характеристики -0.189dB.
Для получения необходимого напряжения смещения (для приведения напряжения в точке А к нулю), ток через резистор Rbias должен быть равен 180V/15k?=12mA. Следовательно, ток источника тока IA должен быть равен сумме тока лампы и тока смещения – 4.7mA+12mA=16.7mA.
Как вы видите, параметры существенно лучше, чем у каскада с классической схемой токового смещения, кроме того, он превосходит обыкновенный резистивный каскад по модулю коэффициента передачи и линейности.
Теперь есть смысл вернуться к вопросу использования катодного повторителя в качестве последующего каскада. Существует несколько достаточно веских оснований для выбора такого решения.
Во-первых, целесообразно все равно стремиться снизить емкость Ce. При той же величине Rbias можно расширить частотную полосу каскада или увеличить величину Rbias, сохраняя заданную полосу. Второй момент более важен (расширять частотную полосу более 100?150kHz для аудио усилителей не имеет особого смысла): увеличение сопротивления Rbias соответственно сопровождается снижением тока смещения, это упрощает подбор компонентов для источника тока и снижает потребляемую каскадом мощность.
Во-вторых, применение катодного повторителя гарантирует максимальную линейность каскада в широкой полосе частот. Мы не будем здесь подробно касаться этого вопроса, так как он достаточно подробно рассмотрен в другой статье [4].
В-третьих, катодный повторитель увеличивает нагрузочную способность каскада, что расширяет его функциональные возможности.
Вопросы технической реализации
Конечно, центральным моментом при воплощения схемы в "железо" является способ реализации источников тока. Основные требования к источникам тока можно определить очень кратко: это высокая стабильность тока при большой амплитуде переменной составляющей напряжения на них в широкой полосе частот. Немаловажным моментом является и их сложность.
Вопрос реализации качественного источника тока и его влияние на сигнал уже неоднократно рассматривался в разных статьях [4], [5]. Поэтому мы даже не будем рассматривать реализацию ламповых вариантов схемы и сразу оговорим, что будем использовать каскодные варианты транзисторных источников тока.
При пристальном разглядывании схемы на рисунке 5 прямо напрашивается техническое решение с двумя токовыми зеркалами (Рис.7).
Работа схемы ясна из рисунка, резистор RIA задает суммарный ток лампы и смещения, резистор RIb – ток смещения. Регулируя величину тока нижнего источника тока, мы можем установить в точке "А" нужное напряжение. Схема не содержит каких-либо обратных связей и может усиливать сигнал нулевой частоты. При использовании согласованных пар транзисторов (VT1, VT3 и VT5, VT6) обеспечивается достаточно высокая кратковременная стабильность нулевого уровня напряжения в точке "А".
Но, конечно, долговременную стабильность схема не может обеспечить, дрейф параметров лампы будет приводить к дрейфу нулевого уровня. Путь решения этого вопроса предложен в начале статьи, это охват каскада (или нескольких каскадов) отдельной петлей отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному току стабилизирующей, допустим, нулевой потенциал (в принципе, это может быть любой потенциал) на выходе каскада.
Абсолютно правильная работа схемы достигается, если на постоянном токе выполняется условие –
(7).
Это означает, что при регулировке уровня смещения режим лампы не изменяется, соответственно необходимо, чтобы оба источника тока были управляемыми. Хотя превратить источники тока, показанные на рисунке 7, в управляемые очень просто (достаточно токозадающие резисторы RIA и RIb отключить от нулевого потенциала и подключить к выходу усилителя ошибки цепи ООС), это приводит к усложнению схемы цепи ООС. Связано это с тем, что их токи имеют разное значение и токовые зеркала могут питаться от источников с разным напряжением. В этом случае для выполнения условия (7) управляющие напряжения, поступающие на резисторы RIA и RIb , должны иметь разные значения, что приводит к необходимости введения дополнительного масштабирующего усилителя. Кроме того, источники питания должны быть хорошо стабилизированы.
Поэтому, в большинстве случаев непосредственная реализация такой схемы не оправдана.
Без особого ущерба для качественных показателей схему можно упростить. Вполне достаточно сделать управляемым только один источник тока, причем управляемым может быть как источник тока в анодной цепи, так и источник тока смещения. При любом варианте итог будет один – потенциал покоя точки "А" будет стабильным, но влияние системы стабилизации на статический режим усилительной лампы будет разным.
Вариант схемы с управляемым источником тока смещения показан на рисунке 8.
Анодный источник выполнен по более простой схеме, так как уже не требуется высокая температурная стабильность, также значительно снижаются требования к стабильности источников питания. Хотя схема источника тока смещения не изменилась, требования к идентичности транзисторов токового зеркала значительно мягче (фактически, можно использовать два однотипных транзистора). Управляется он током Ic, поступающим с системы стабилизации по постоянному току (естественно, через цепи согласования уровней).
Теперь оценим, какое влияние на режим работы лампы оказывает система стабилизации. Управляемый источник тока совместно с резистором Rbias можно рассматривать как усилительный каскад. Его входным сигналом является ток управления Ic, а выходным – напряжение в точке "А". Упрощенно можно считать, что Ibias?Ic и коэффициент передачи от входа к выходу будет равен –
(8),
где ?UA – приращение потенциала в точке "А".
С физической точки зрения полученный параметр можно определить как крутизну регулирования потенциала в точке "А" и выражать как V/A.
Что из этого следует?
То, что степень влияния системы стабилизации в этом случае обратно пропорциональна величине Rbias (это еще один довод в пользу целесообразности использования катодного повторителя). Поясню это на примере: из расчета каскада с токовым смещением мы приняли величину Rbias, равную 15k?. Допустим, напряжение на аноде лампы увеличилось на 1V, из соотношения 8 следует, что для компенсации этого напряжения ток Ic должен измениться на –
Соответственно, на такую же величину уменьшится ток лампы. Также можно сказать, что крутизна регулирования равна 15000V/A. Как вы видите, изменение весьма незначительное. В реальных условиях (дрейф параметров элементов, замена лампы) изменение напряжение на аноде лампы составляет десятки вольт, при этом ток лампы изменится на доли миллиампера. При достаточно больших токах лампы это не существенно влияет на ее режим и можно считать, что точка покоя лампы характеризуется постоянным током анода.
Теперь рассмотрим, что будет происходить, если регулировать ток источника тока, находящегося в аноде лампы. В этом случае можно считать, что приращение потенциала анода лампы приблизительно равно приращению потенциала в точке "А", то есть - ?UP ? ?UA. Тогда крутизна регулирования будет равна –
(9),
где ?Ip – приращение тока анода лампы.
Для выбранного нами режима работы лампы величина S будет равна 9000V/A. Сравнив полученные значения величины S, видно, что регулирование по анодной цепи будет приводить к большему изменению тока лампы и, следовательно, ее режима (хотя величины сравнимы). Но есть еще одно важное отличие. Так как ток Ibias фиксирован, то и падение напряжения на резисторе Rbias – фиксировано. Для стабилизации потенциала покоя в точке "А" необходимо стабилизировать потенциал покоя на аноде лампы. Следовательно, рабочая точка лампы в режиме покоя будет характеризоваться приблизительно постоянным анодным напряжением.
Сказать однозначно, какой из вариантов стабилизации режима лучше, невозможно - оба хороши. Выбор конкретного варианта стабилизации зависит от типа используемой лампы, ее режима и поставленных задач при проектировании каскада.
Хочу напомнить читателям, что разговор идет о статическом режиме лампы, динамический режим работы лампы, в обоих случаях, одинаков и соответствует работе лампы с постоянным током анода. Следует также отметить, что использованные методы расчета не учитывают всех параметров схемы, например, зависимости параметров лампы от ее тока, тока баз транзисторов и дополнительных цепей, но они дают достаточную точность для инженерной практики.
В заключение этого раздела следует коснуться вопроса источников питания такого каскада. Для уменьшения влияния первичной сети на параметры усилителя целесообразно стабилизировать оба напряжения питания (это целесообразно делать всегда и для любых каскадов). Долговременная стабильность напряжений питания здесь особого значения не имеет, так как будет скомпенсирована системой стабилизации режима. Но пульсации и шумы источников питания цепью ООС по постоянному току компенсироваться не будут, и тут следует руководствоваться общими требованиями к источникам питания предварительных усилителей. Хотя есть ряд особенностей. Более жесткие требования по уровню пульсаций и шумов предъявляются к источнику питания, в цепи которого находится регулируемый источник тока. Источник питания, в цепи которого находится нерегулируемый стабилизатор тока, может иметь значительно большие пульсации, так как они будут им эффективно подавлены.
Как показала практика, вполне достаточно использовать простые параметрические стабилизаторы, например, высоковольтные стабилитроны, зашунтированные емкостью 10?20µF.
Комментарии