Содержание

Усилитель класса А для электромагнитных головных телефонов с непосредственной междукаскадной связью

Как и у всех усилителей, работающих на проблемную нагрузку, эта схема была разработана в обратном направлении, от выхода к входу. Примите во внимание, что схема представляет собой модель для решения проблем сопряжения по постоянному току — а не подробный образец конструкции усилителя для головных телефонов (наушников).

В рассматриваемом усилителе необходим катодный повторитель, чтобы обеспечить низкое выходное сопротивление. Лампы с высокими внутренним статическим коэффициентом усиления т, высокой крутизной проходной характеристики gm подходят наилучшим образом, так как катодные повторители с высокой крутизной gm гарантируют низкое выходное сопротивление r_вых и высокое m, что позволяет использовать сильную обратную связь, чтобы уменьшить искажения. Из этих соображений, лампа типа 6С45П является идеальной для данной задачи. В схеме усилителя (рис. 4.25) катод подсоединен к отрицательному источнику питания через стандартный приемник неизменяющегося тока, построенный на пентоде типа EL822.

В рассматриваемом усилителе необходимо создать отрицательную обратную связь по постоянному току, чтобы стабилизировать и симметрировать выход усилителя на О В, и также необходимо, чтобы усилитель имел высокое входное сопротивление для того, чтобы он не нагружать схему регулировки громкости. Идеальными входными каскадами, следовательно, являются дифференциальные пары, и так как мы уже имеем источник питания отрицательной полярности, кажется нелогичным не использовать второй пентод в качестве приемника неизменяющегося тока для дифференциальной пары.

Рис. 4.25 Усилитель, со связью по постоянному току для головных телефонов

Электромагнитные головные телефоны (наушники) являются устройствами с низким полным сопротивлением. Так как переносное оборудование должно предусматривать возможность работы от аккумулятора напряжением 3 В (возможно, только 1,5 В), то типовые наушники, разработанные для портативного использования, обычно имеют сопротивление 32 Ом, а более высокого качества соответственно до 200 Ом. В любом случае они требуют значительного тока, и являются крайне неблагоприятной нагрузкой для электронной лампы. Так как мы при увеличении анодного тока I_a, рассеиваемая на аноде тепловая мощность Р_а также увеличивается, во избежание перегрева лампы требуется уменьшать нагрев, понижая анодное напряжение V_a, не забывая при этом учитывать необходимость работать без сеточного тока. Установка анодного напряжения V_a= 135 В соответствует работе без сеточного тока. Величина предельно-допустимого значения мощности, рассеиваемой на аноде лампы типа 6С45П составляет всего Р_а(макс) = 7,8 Вт, тем не менее все другие технические характеристики этой лампы являются довольно оптимистичными. Разумеется, разумно работать не достигая предельно-допустимой рассеиваемой мощности. Если установить анодный ток I_a = 34 мА, то мощность, рассеиваемая на аноде составит Р_а = 4,6 Вт.

Теперь необходимо рассмотреть входную дифференциальную пару. Так как имеется источник питания только на 135 В, то необходима электронная лампа, имеющая хорошую линейность при низком анодном напряжении. Лампы типа ЕСС86 были бы идеальными, но на момент разработки автору были доступны лишь ЕСС88. Построение нагрузочных линий, имевших небольшой наклон позволило предположить, что резисторы нагрузки 27 кОм будут хорошо обеспечивать режим с анодным напряжением 68 В, с током катода 5 мА при напряжении смещения между сеткой и катодом V_ск = 2 В.

Наконец, анализируя именно рассматриваемую практическую схему усилителя, появляется возможность рассмотреть более существенные проблемы междукаскадной связи по постоянному току, используя чистые делители напряжения, нежели описанные выше.

Итак, на каждом аноде лампы ЕСС88 напряжение 68 В. На сетке лампы 6С45П, катодного повторителя, ≈ —1,5 В (не следует забывать, что необходимо иметь на катоде 0 В), поэтому мы должны иметь падение напряжения 69,5 В. Если установить ток 100 мкА в цепочке делителя напряжения, то потребуется верхний резистор сопротивлением 695 кОм, что является неудобным значением. Если выбрать ближайшее к расчетному стандартное значение 680 кОм, то ток делителя напряжения становится 69,5 В/680 кОм = 102,2 мкА.

На нижнем резисторе должно падать напряжение —1,5 В - -135В= 133,5 В, таким образом, для 102,2 мкА требуется резистор 1,3 МОм, что легко набирается из стандартных и близко к рекомендуемому для таких схем значению. Тем не менее, нужно учитывать и другой фактор. При расчетном анодном напряжении, через цепочку делителя напряжения проходит ток ≈ 100 мкА, за счет тока анода 2,5 мА. 2,5 мА является низким током для этой лампы, поэтому отклонения между экземплярами ламп значительно усиливаются, и небольшой ответвляемый в делитель ток не принимается в расчет при сравнении. Изменения ответвляемого от лампы тока могут вызвать дисбаланс нулевого потенциала по постоянному напряжению на выходных клеммах усилителя. Возникает вполне резонный вопрос: почему бы не сделать цепочку делителя регулируемой для компенсации изменения характеристик ламп? Использование постоянного резистора на 1,2 МОм, установленного последовательно с переменным резистором на 250 кОм позволяет менять сопротивление на ±10%. Можно установить переменный резистор и большей величины, но это сделает более сложной регулировку выхода по постоянному току.

Даже если выход по постоянному току тщательно отрегулирован (симметрирован) до 0 В, он будет дрейфовать. Необходимо средство стабилизации выхода по постоянному току на 0 В, и лучший выход — применить отрицательную обратную связь. Подключим петлю обратной связи параллельно выходу усилителя, но так как выход делителя напряжения обратной связи подсоединен к другой сетке дифференциальной пары, а дифференциальная пара усиливает разность между входными сигналами, то обратная связь при этом является последовательной входному сигналу. Обратная связь, следовательно, является параллельно снимаемой и последовательно прикладываемой (вводимой), поэтому она уменьшает выходное сопротивление и увеличивает входное сопротивление. Уменьшение выходного сопротивления является важным, потому что все современные электромагнитные преобразователи рассчитаны на нулевое внутреннее сопротивление источника сигнала, чтобы иметь их оптимальную переходную характеристику.

При проектировании цепей обратной связи, всегда требуется знать коэффициент усиления. Величина 27 кОм — довольно низкое сопротивление анодной нагрузки для любой из ламп ЕСС88, и построение нагрузочной линии прогнозирует коэффициент усиления 26,75. Входные каскады работают как дифференциальная пара, но так как используется только один выход, то нужно разделить пополам коэффициент усиления, получая значение 13,375. Как уже обсуждалось выше, междукаскадный делитель схемы сдвига уровня вносит потери по полезному сигналу, обладая коэффициентом передачи по напряжению 0,657, что уменьшает коэффициент усиления до 8,78. Принимая во внимание, что в лампах типа 6С45П при анодном токе I_а = 34 мА, достигается эквивалентное сопротивление r_к ≈ 25 Ом, нагрузка 32 Ом вносит дополнительные потери порядка 0,56, уменьшая общий коэффициент усиления до ≈ 5. Таким образом, даже глубокая 100% обратная связь может обеспечить улучшение только (1 + βA₀) = 5, или 14 дБ.

Схема была опробована со 100% отрицательной обратной связью потому что это наиболее важное условие устойчивости. Подавался образцовый прямоугольный сигнал — частотная характеристика при 10 кГц и нагрузка 200 Ом (рис. 4.26). Схема была опробована с различными сопротивлениями нагрузки.

Рис. 4.26 Малые искажения на прямоугольном испытании соответствуют достаточно равномерной амплитудно- частотной характеристике

В таблице 4.15. приводятся уровни выходных сигналов при различных сопротивлениях нагрузки, соответствующие различным уровням СКГ + Ш (совокупный коэффициент гармоник плюс шум). Неудивительно, что немногие лампы способны выдавать высокий неискаженный выходной уровень при нагрузке 32 Ом, и что разработанная схема (которой и соответствует таблица) может выдавать только 8 мВт при 0,5% СКГ + Ш и нагрузке 32 Ом.

Ситуация заметно улучшается при нагрузке 200 Ом, вследствие чего схема удваивает полезную мощность при СКГ + Ш < 0,1 %. Что более важно — спектр гармоник искажений становится приемлемым: 2-я = —60 дБ, 3-я = —82 дБ, 4-я = —100 дБ. Удивительно, но у автора нет собственных электромагнитных наушников приемлемого качества, поэтому он не смог проверить этот усилитель субъективно.

Наблюдательный читатель, имеющий перечень технических характеристик лапы типа 6С45П, заметит, что в этой схеме сопротивление утечки сетки 150 кОм намного превышает максимальное рекомендуемое. Помните, что основное назначение резистора смещения сетки — удержание требуемого напряжения на сетке при любом сеточном токе. Если резистор является слишком большим, сеточный ток поднимает напряжение на сетке, уменьшает напряжение смещения между сеткой и катодом V_ck, увеличивает анодный ток I_a, увеличивая сеточный ток до тех пор, пока лампа не выйдет из строя. В этой схеме анодный ток I_a лампы 6С45П устанавливается исключительно приемником неизменяющегося тока, поэтому рассмотрение отвода тепла, вызванного чрезмерным сопротивлением утечки сетки не требуется.

Если необходимо реализовать схему рассмотренного типа, самое простое разбить ее на две части перед применением обратной связи. Сначала монтируется и налаживается выходной каскад, закорачивается верхняя сетку на землю, и регулируется задающий резистор схемы источника неизменяющегося тока, чтобы установить правильный ток катодного повторителя. Затем монтируется дифференциальная пара и связанный с ней источник неизменяющегося тока, и регулируется задающий резистор тока источника неизменяющегося тока, чтобы установить требуемый режим анодной цепи. Затем два каскада соединяются, и настраивается делитель схемы сдвига уровня, чтобы получить 0 В постоянного напряжения на выходе. Наконец, замыкается петля отрицательной обратной связи.

Использование схемы сдвига уровня с источником тока

Как уже было упомянуто ранее, схема сдвига с источником тока существенно усиливает шум и фон его источника опорного напряжения. Проблема этого шума может быть решена различными способами:

• уменьшить шум, создаваемый источником опорного сигнала. Диоды с прямым смещением создают мало шумов, по этой причине дешевые красные светодиоды являются идеальными. Если должен использоваться стабилитрон, то шум должен фильтроваться;

• шум не является проблемой сам по себе, он становится проблемой, когда напряжение сигнала достаточно низкое, и отношение сигнал / шум становится критическим. Решение: не использовать схемы сдвига уровня с источником тока в предусилителях;

• если шум может быть введен в схему таким образом, чтобы стать синфазным, то он может быть компенсирован дифференциальной парой. Это наиболее действенная методика.

Несколько лет назад, автор приобрел в магазине подержанных вещей 40 полевых МОП-транзисторов серии IRF с n-каналом и p-каналом, и после проверки на характериографе, удалось подобрать две приемлемых комплементарных пары. Сразу всплыла идея создания гибридного усилителя, связанная с желанием использовать некоторые давно пылящиеся на полке лампы. Автор прежде был неспособен найти применение таким замечательным лампам, как E55L, с высоким значение крутизны проходной характеристики gm (55 мА/В), но теперь понял, что можно сделать хороший катодный повторитель, используя полевые МОП-транзисторы с высокой емкостью затвора. Небольшое исследование эскизного представления привело к схеме, требующей схему сдвига с источником тока (рис. 4.27).

Полевой МОП-транзистор с n-каналом требует напряжения + 5 В на затворе, чтобы пропускать требуемый ток 1,7 А, а полевой МОП-транзистор с p-каналом требует напряжения —6 В, для того чтобы установить требуемый ток выходного каскада. Катодный повторитель на лампе типа E55L имеет мощный каскодный приемник неизменяющегося тока, выполненный на транзисторе типа MJE340 и транзистор типа ВС549 в качестве активной нагрузки. Дифференциальная пара на двойном триоде типа 7N7 имеет каскодный приемник неизменяющегося тока в цепи катода, который совместно использует источник опорного напряжения приемника с каскадом на лампе E55L. Для того, чтобы сбалансировать анодные нагрузки, неиспользуемый выход лампы 7N7 содержит RC-цепочку, включаемую на землю (шасси) для моделирования полного входного сопротивление катодного повторителя на лампе типа E55L. Дифференциальный вход каскада на лампе типа ЕСС808 довольно стандартный за исключением того, что он имеет источник неизменяющегося тока в качестве анодной нагрузки, чтобы улучшить его линейность при работе от положительного источника питания с невысоким напряжением +150 В (его катодный источник неизменяющегося тока может потребовать тонкой настройки, чтобы установить нужное анодное напряжение V_a.

Так как дифференциальная пара на ламе 7N7 напрямую связана с катодным повторителем на лампе E55L, ее сетки должны быть под напряжением отрицательного источника питания или близко к нему, однако на анодах лампы ЕСС808 приложено напряжение +123 В. Таким образом, проблема состоит в том, чтобы соединить два каскада по постоянному току с минимумом шумов.

Рис. 4.27 Сопряжение по постоянному току, используя источник тока в качестве приемника

Значение 1 МОм сопротивления верхнего резистора схемы сдвига уровня было выбрано произвольно, предположив, что ток, проходящий через него будет ≈ 250 мкА. Нужно знать этот ток, потому что он является расчетным током приемника неизменяющегося тока. Если выбрать источник опорного напряжения 6,2 В, то требуется резистор сопротивлением 24 кОм. Если рассматривать схему сдвига уровня как усилитель с общим эмиттером, можно найти его коэффициент усиления.

Поскольку коллекторный ток I_к = 250 мкА, то крутизна gm = 35 I_к = 35 х 0,25 = 8,75 мА/В. Коэффициент усиления равен A_v = gm * R_H — 8,75 * 1000 = 8750. Тем не менее, усилитель имеет значительную обратную связь, так как нешунтированный резистор в цепи эмиттера имеет сопротивление 24 кОм. Таким образом, можно использовать уравнение обратной связи:

В качестве альтернативы, зная, что коэффициент усиления перед применением обратной связи желательно иметь большим, можно просто использовать приближение:

Значением этого упражнения является то, что большее напряжение источника опорного напряжения уменьшает коэффициент усиления, так как значение R_э большое. Хотя вариант схемы со светодиодами был бы несколько хуже, в этом случае коэффициент усиления будет ≈ 250.

Если схемы сдвига уровня совместно используют общий (шумящий) источник опорного сигнала постоянного тока, шум усиливается идентично, таким образом, он представляется в дифференциальной паре, как синфазный шум, который она может подавить. Для гарантии того, что шум остается синфазной помехой, резистор в цепи эмиттера и сопротивление делителя 1 МОм необходимо согласовывать, поэтому допуск 0,1 % являются идеальным. На высоких частотах, синфазное подавление дифференциальной пары ухудшается. Если зашунтировать резисторы 1 МОм конденсаторами, коэффициент усиления схемы сдвига уровня будет падать с частотой, поэтому это дает меньше шума на дифференциальную пару, которая компенсирует падение коэффициента ослабления синфазного сигнала дифференциальной пары.

Информация

Новости народной музыки, электронная аудио- и библиотека.

настоящий hi-end

Работы из бисера, интересная информация, программы, интернет радио

Электронное зажигание на ЗАЗ

Команды Linux для работы с жестким диском

Продолжение