Содержание

Шумы и влияние входной емкости входного каскада

Если вспомнить все ранее высказанные требования, касающиеся максимального снижения уровня шумов, то первый (входной) каскад является с этой точки зрения определяющим каскадом и требование малого уровня шумов становится едва ли не самым важным по сравнению с остальными требованиями к этому каскаду. Такое требование выглядит весьма разумным, потому что даже уровень +34 дБ относительно 5 мВ дает в результате всего 700 мВ двойного амплитудного (пик-пикового) значения напряжения, поэтому проблема линейности в этом случае явно не выглядит превалирующей.

Расчет схемы, исходя из условия низкого уровня шумов, обычно означает на практике необходимость добиться предельного значения усиления от первого каскада, после чего проблема рассмотрения шумов для последующих каскадов становится несущественной. Такой подход требует использования триодов с высоким значением т, например, лампы типа ЕСС83, либо ЕСС808 (практически имеющей идентичные электрические характеристики, но более низкий уровень шумов и фона переменного тока и совершенно иную цоколевку выводов). Однако, при типичном значении коэффициента усиления A_v = 70 значение входной емкости составит порядка 120 пФ, включая и паразитные емкости.

Подавляющее большинство звукоснимателей с подвижной магнитной системой разрабатываются исходя из требования работы на чисто емкостную нагрузку, например, такие старые модели, как Shures или Ortofon требовали нагрузку 400—500 пФ. Однако для более современных моделей, величина емкостной нагрузки стремится уменьшиться до значения 250 пФ. Так как в расчете учитывались емкости соединительных проводов тонарма и соединительного кабеля, дополнительная входная емкость, определяемая использованием лампы типа ЕСС83, величина емкости нагрузки для звукоснимателя может возрасти до 300 пФ. Лампа типа ЕСС83, возможно, будет и исключена из рассмотрения, за исключением варианта, при котором необходимо будет заменить провода звукоснимателя (что само по себе может оказаться и не такой уж неправильной идеей). После чего возможным кандидатом на применение оказывается лампа типа Е88СС, имеющая меньшее усиление и меньшее значение шунтирующей емкости. Даже такой вариант, как использование лампы серии *SN7/N7, не представляется нереальным при условии, что будут предприняты некоторые меры, предотвращающие появление шумов в следующем каскаде.

Несмотря на то, что использование таких дамп семейства Loctal, обладающих высоким значением μ, кaк 7F7, является возможным, применение триодов фирмы Octal, обладающих высоким значением т, в своем большинстве исключено из-за очень высокого значения их проходной емкости С_ag. Например, лампа типа 6SL7GT, которая

со своим значением μ = 70 является предшественником лампы типа ЕСС83, имеет значение проходной емкости С_аg ≈ 2,8 пФ (значение, приводимое Американской радиокорпорацией, RCA, хотя более точно значение параметра определяется как фирмой-производителем, так и происхождением лампы). При стандартном значении усиления, равном 50, величина входной емкости, включая и паразитные значения, составляет около 160 пФ. Это значение оказывается чересчур близким к предельному значению 250 пФ, а так как в эту величину входит и емкость проводов звукоснимателя, то единственным способом достижения компромисса является размещение собственно блока частотной коррекции RIAA непосредственно сразу же после точки крепления шарнира тонарма, с тем, чтобы внутренние провода тонарма непосредственно подключались к сетке лампы.

Выполнение монтажа блока частотной коррекции прямо на цоколе звукоснимателя, в непосредственной близости от места крепления поворотного шарнира, дает огромное преимущество в оптимальном решении сразу нескольких проблем: уменьшения входной емкости, снижения уровня наведенных помех и микрофонного эффекта. Однако такой вариант компоновки узлов делает сам механизм проигрывателя не только совершенно нестандартным, но и трудноисполнимым с чисто практической точки зрения из-за слишком ограниченного пространства, либо возможных ограничений с точки зрения механической прочности конструкции деки проигрывателя. Изящно подвешенное шасси с декой проигрывателя просто неспособно безболезненно вынести дополнительный вес от 500 до 1000 г предусилителя, смонтированного в непосредственной близости с точкой крепления поворотного шарнира. Даже а случае таких конструкций деки как в проигрывателях марки Garrard 301, просто предназначенных для непосредственного крепления на весьма массивном основании, вряд ли удалось бы избежать негативного воздействия дополнительной массы.

Использование лампы типа Е88СС имеет дополнительное преимущество в том, что у нее очень небольшое значение выходного внутреннего сопротивления r_a, что, как будет показано ниже по тексту, помогает улучшить шумовые характеристики. Дополнительно к этому, меньшее значение r_a будет давать меньший вклад в общее суммарное сопротивление, величина которого определяет частоту срез с постоянной времени 75 мкс а также удовлетворяющее ранее сформулированному требованию, заключающемуся в пониженной чувствительности к эффекту старения элементов схемы и изменению их параметров в связи с данным процессом.

Шум во входном каскаде определяется не только свойствами лампы, но также и резисторами схемы, из которых резистор R_L играет самую важную роль (рис. 8.19а). Из физики твердого тела известно, что резистивные сопротивления являются очень хорошим источником тепловых шумов.

Для того, чтобы грамотно рассчитать шумовые характеристики каскада, необходимо перерисовать схему в виде простой эквивалентной схемы, которая очень облегчает проведение анализа (рис. 8.196).

В семе выходной контур лампы заменен идеальным источником напряжения, соответствующим эквивалентной схеме Тевенина, в который включено сопротивление r_а. Звукосниматель (cartridge) с подвижной магнитной системой может быть представлен на эквивалентной схеме в виде резистора с последовательно включенной индуктивностью, а так как источник Тевенина имеет равное нулю внутреннее сопротивление, его можно представить в виде короткозамкнутой цепи. После таких преобразований схема примет следующий вид ( рис. 8.19в).

Для завершения составления эквивалентной схемы-модели в эту схему необходимо добавить несколько источников шума (рис. 8.19г).

Рис. 8.19 Шумы во входном каскаде

Поэтапное введение всех изменений в эквивалентную схему показано так подробно потому, что окончательный вид полученной эквивалентной схемы очень мало похож на ее первоначальный вид.

Перед тем, как начать достаточно сложные вычисления, можно сделать несколько предварительных, но очень существенных и полезных замечаний.

Все из имеющихся в эквивалентной схеме источников шума (вместе со связанными с ними резисторами) образуют после лампы параллельные цепи, поэтому источник, имеющий нулевое внутреннее сопротивление, закоротит цепь любого иного источника, при условии, естественно, что отсутствует последовательно включенный дополнительный резистор. Для современных конструкций достаточно часто выполняются примерные соотношения, когда R_a ≈ 100 r_а, a R_L ≈ 10 r_а в силу чего сопротивление r_а стремится как бы шунтировать эти остальные источники. В силу этого вклад сопротивления R_g можно было бы посчитать незначительным, в силу чего для резистора R_g можно было бы использовать практически любое, требуемое по каким-то иным соображением, значение сопротивления, но последовательно включенный конденсатор связи снижает эффект шунтирования сопротивлением r_а. Емкостное сопротивление конденсатора определяется выражением:

Для стандартного значения сопротивления резистора сеточного смещения, равного 1 МОм, чтобы обеспечить частоту среза с уровнем —3 дБ, равную 1,6 Гц, можно использовать конденсатор связи, имеющий емкость 100 нФ. Если принять, что нижняя граница частоты интересующего шума составляет 20 Гц (что не является бесспорным значением), то легко определить, что на частоте 20 Гц емкостное сопротивление Х_с — 80 кОм. Это значение сопротивления представляет столь значительную величину, что устраняет любой шунтирующий эффект со стороны внутреннего выходного сопротивления лампы r_а, при этом только до того момента, пока значение Х_с не упадет ниже значения r_а.

Результат все этих рассуждений заключается в том, что выбор обычного значения емкости конденсатора связи не позволяет сопротивлению r_а шунтировать токи шумовой составляющей, генерируемые в резисторе сеточного смещения на частотах, менее 1 кГц. Таким образом, в резисторе происходит генерация шумов, амплитуда которых обратно пропорциональна частоте (шум вида 1/f), но амплитуда которых приближается к максимальному теоретическому значению тепловых шумов для такого же значения сопротивления резистора (υ_n = √4kТВ).

Для избавления от этого дополнительного шума можно было бы выбрать значение емкости для конденсатора связи достаточно большим, то есть таким, чтобы сопротивление r_а могло бы шунтировать R_g во всем диапазоне частот, но для этого понадобится емкость порядка 10 мкФ. Такая емкость для конденсатора достаточно велика, и, если оказывается возможным, предпочтительнее в таком случае оказывается связь по постоянной составляющей (то есть непосредственная связь), но, тем ни менее, подобное техническое решение используется в целом ряде коммерческих предусилителей.

Рис. 8.20 Окончательный упрощенный вид эквивалентной схемы, учитывающей влияние источников шумов во входном каскаде

Учитывая все манипуляции, которые были проделаны с резистором катодного смещения и конденсатором связи, приходится констатировать, что для анализа и маневра остаются только сопротивление анодной нагрузки, R_L, и электронная лампа, как таковая, которые входят в упрощенную эквивалентную схему (рис. 8.20).

В сопротивлении анодной нагрузки R_L генерируется тепловой шум, а за счет того, что этот резистор является пленочным, он является источником избыточного токового шума. Избыточный токовый шум, как правило, определяется производителями с использованием соотношения μV/V, где V — значение приложенного напряжения постоянного тока. Для дальнейшего изложения необходимо прежде дополнительно проанализировать работу типового каскада (рис. 8.21).

Рис. 8.21 Типовой входной каскад, используемый при анализе шумов

Величина падения напряжения постоянного тока на резисторе анодной нагрузки R_L составляет примерно 200 В. В стандартном тонкопленочном металлизированном резисторе, имеющем сопротивление 100 кОм и рассчитанном на мощность рассеяния 2 Вт, величина избыточного токового шума составляет 0,1 μV/V ,то есть для данной схемы величина генерируемого шума составит 20 мкВ. Тепловой шум резистора определяется соотношением:

где k — постоянная Больцмана, k ≈ 1,381•10^-233 Дж/К; Т — абсолютная температура, К(Т= t + 273,16°С); В — ширина полосы пропускания, Гц; R — сопротивление резистора, Ом.

В интервале рабочих температур, то есть около 40 °С (313 К), и ширине полосы пропускания 20 кГц данное выражение упрощается и принимает вид:

Расчет по этой формуле показывает, что в идеальном резисторе, имеющем сопротивление 100 кОм, величина генерируемого теплового шума составляет 5,9 мкВ. В рассмотренном примере величина избыточного токового шума резистора значительно превышает по значению тепловой шум. Для определения общего шума резистора необходимо сложить мощности всех составляющих шумов, которые, с учетом соотношения Р = V²/R, будут иметь вид:

После подстановки данных и последующего утомительного подсчета можно определить, что величина общего шума резистора составит 21 мкВ. Однако выполненный расчет демонстрирует две вещи:

• для проволочных резисторов необходимо рассчитывать только тепловой шум (для них отсутствует составляющая избыточного токового шума);

• для тонкопленочных металлизированных резисторов необходимо рассчитывать только составляющую избыточного токового шума. Это приближение оказывается достаточно точным, так как в большинстве практически используемых схем с уменьшением падения напряжения постоянного тока на резисторе снижается и величина шума.

После того, как удалось упростить подход к учету источников шума в резисторе, можно рассмотреть, как на них повлияет шунтирование анодным сопротивлением лампы r_a, и затем перечертить эквивалентную схему (рис. 8.22).

Рис. 8.22 Влияние анодного сопротивления r_а на величину шума, генерируемого в резисторе анодной нагрузки R_L

При рассмотрении преобразованной схемы следует, что она представляет делитель напряжения, и что действительный вклад шума резистора в схему равняется произведению шума резистора в разомкнутой цепи (в режиме холостого хода) на коэффициент ослабления делителя напряжения. Для рассматриваемого примера уменьшение шума резистора будет соответствовать снижению напряжения шума с 21 мкв до 1,26 мкВ.

Следует отметить, что если резистор анодной нагрузки R_L не шунтирован, то значение внутреннего анодного сопротивления r_а резко увеличивается и в результате более не оказывается способным шунтировать шумы резистора.

Если напряжение шума разделить на коэффициент усиления каскада А_υ = 29, то можно вычислить параметр, получивший название относительного входного шума, и который в конкретном рассматриваемом случае имеет величину 43 нВ. Удобством введения этого параметра является возможность сложения этого шума с шумами, возникающими в источнике любого другого происхождения, связанном с цепями сетки лампы, например, с резистором сеточного смещения. На практике чаще всего наблюдается ситуация, при которой, если рассчитан тепловой шум, генерируемый резистором R_g , и определено его ослабление за счет звукоснимателя, то в подавляющем большинстве случаев этот шум является величиной, значительно меньшей по сравнению с шумами лампы. Так или иначе, но отсутствует всякая возможность для выбора значения сопротивления R_g, так как оно прежде всего определяется параметрами самого звукоснимателя.

Информация

Продолжение

Вышеприведенные уравнения, позволяющие определять параметры шума, на практике в диапазоне звуковых частот имеют весьма ограниченное применение, потому что в них совершенно не учитывается шум, называемый l/f шум, или фликкер-шум (шум мерцания). Интенсивность фликкер-шумов падает с ростом частоты. Такие шумы часто возникают в катодах ламп, а также в полупроводниковых приборах (транзисторах).

Тем не менее, вычисления подтверждают, что пентоды имеют более высокий уровень шума по сравнению с триодами и что необходимо стремиться максимально увеличивать значение крутизны лампы gm. К сожалению, не существует методики расчета уровня фликкер-шума для лампы, так как этот параметр в значительной мере определяется конкретным типом лампы и вариантами ее конструктивного исполнения (особенно катодного узла), хотя отмечается, что уровень шумов находится в прямой зависимости от уровня теплового шума для данной лампы. Лампы, имеющие чисто вольфрамовые катоды, не генерируют фликкер-шум, но у них безнадежно высокий уровень микрофонного эффекта, а также очень низкое значение крутизны gm.

Трудности альтернативного подбора звукоснимателей и входных ламп

Несмотря на то, что оценки уровня шума в диапазоне звуковых частот были признаны весьма приближенными в абсолютном значении, и хотя уже была рассмотрена схема предусилителя, характеристики которой с точки зрения уровня шумов были признаны приемлемыми, все-таки имеет смысл попытаться рассчитать показатели шума для нее, а затем сравнить полученные результаты с ожидаемыми оценками для новой схемы. Такой расчет окажется особенно плодотворным в том случае, если у использующегося звукоснимателя окажется изношенной игла, и окажется необходимым самым внимательным образом рассматривать вариант его замены другим, но отличающимся по своим характеристикам чувствительности. Так как уровень шума, как правило, является самой основной проблемой для звукоснимателя с подвижной катушкой, то возникает несколько различных ситуаций при использовании нового звукоснимателя.

В табл. 8.6 сведены рекомендации по необходимости применения согласующего трансформатора в цепи звукоснимателя в зависимости от выходного напряжения, развиваемого его головкой (картриджем).

Предполагается, что основным источником собственных шумов усилителя является входная лампа, тогда значение ее крутизны gm для рабочей точки должно быть сравнимо с крутизной для лампы, рассматриваемой в качестве альтернативы. Относительный уровень шума может быть определен с использованием следующего соотношения: