|
Теперь самое время рассмотреть шум, обусловленный своим происхождением процессам, происходящим в электронной лампе. Шум
в электронной лампе возникает по той причине, что протекающий в ней анодный ток Iа существует
за счет множества отдельных электронов, которые бомбардируют анод, а также потому, что электроны, покидающие катод в результате
термоэлектронной эмиссии и образующие электронное облако, имеют разброс по своим скоростям (который описывается так называемым
распределением Максвелла). Отсюда следует, что физико-химические свойства самого катода и соответствующие процессы, происходящие
на нем, могут значительно повлиять на уровень собственных шумов лампы.
В инженерной практике достаточно часто используются упрощенные выражения, которые применяются, например, для расчета
шумов в области высоких частот. В частности, для случая лампового триода подобное выражение выглядит следующим образом:
Из этого выражения следует, что белый (широкополосный) шум, генерируемый в лампе, будет эквивалентен тепловому (белому)
шуму, который генерируется в идеальном резисторе req , стоящему на входе данной лампы. В рассматриваемом
случае крутизна используемого триода gm ≈ 5,3 мД/В, следовательно, величина эквивалентного шумящего сопротивления
составит примерно 470 Ом.
Если воспользоваться выражением υn = l,86-10~8UR, то значение напряжения входного
шума, генерируемого лампой, составит примерно 400 нВ, что значительно превысит значение 43 нВ, определяемого входным относительным
шумом, генерируемым резистором анодной нагрузки (как оно и должно быть для правильно рассчитанной схемы). Таким образом,
отпадает необходимость суммирования мощностей шумов лампы и анодного нагрузочного резистора.
В случае пентода соответствующие выражения имеют вид:
Применение данного уравнения в случае применения малошумящего пентода типа EF86, работающего при значениях анодного Iа=
1,25 мА и экранного Ig2 = 0,3 мА токов, дает величину эквивалентного сопротивления 3,9 кОм
и значение напряжения шума (при ширине полосы пропускания 20 кГц), равное 1,2 мкВ. Однако, измерения, выполненные в усилителях
компании Маллорд (Mullard), дали значение напряжения шума 2 мкВ в полосе пропускания 25 Гц — 10 кГц при точно таких же параметрах
статического режима, что соответствовало напряжению шума 2,8 мкВ для полосы пропускания 20 кГц.
Проблема Фликкер-шумов
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).
| Таблица 8.6 |
| Выходное напряжение звукоснимателя | Критерии выбора лампы |
| Значительно меньше по величине (-6 дБ) | Необходим трансформатор: проблема с шумом остается под вопросом |
| Такое же, как и у прежнего (0 дБ) |
Выбор: либо использовать трансформатор и улучшить шумовые характеристики, либо смириться с шумом в обмен на решение проблем с трансформатором |
| Значительно большее по величине (+6 дБ) | Трансформатор необязателен: малошумящая лампа может сделать его применение необязательным |
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:
Пример. Предусилитель с входным каскадом, построенным на лампе, имеющей значение крутизны 5,3 мА/В, первоначально
предназначался для использования со звукоснимателем, имеющим подвижную катушку, совместно с повышающим трансформатором, имеющем
коэффициент трансформации 1:10, позволяющим повысить входное напряжение сигнала, поступающего на предусилитель, до значения
2 мВ среднеквадратического значения при скорости перемещения иглы 5 см/с. Новый звукосниматель, используемый для возможной
замены, в соответствии с техническими характеристиками при такой же скорости перемещения иглы обеспечивает уровень сигнала
более 500 мкВ, поэтому становится возможным отказаться от применения входного трансформатора. Одинарные триоды Loctal STC
3A/167M и Magnoval WE 437Абыли разработаны для использования в телефонных усилителях-повторителях и при рабочем значении
анодного тока 40 мА имели значение крутизны gm 47 мА/В, поэтому относительное значение шума составит:
Предлагаемые для замены входные лампы имеют уровень шумов на 9,5 дБ ниже, но у предлагаемого нового звукоснимателя на
12 дБ ниже уровень выходного сигнала. Следовательно, отношение сигнала к шуму ухудшается на 2,5 дБ. На практике, повышающий
трансформатор также должен вносить некоторые потери. Типичным значением можно считать уровень 1 дБ, поэтому действительное
ухудшение отношения
уровней сигнала к шуму составит, скорее всего, 1,5 дБ, то есть будет иметь такую величину, которую будет достаточно трудно
заметить. К сожалению, предлагаемые лампы являются практически недоступными в обычных условиях. Однако, включенные по схеме
триода лампы серии NOS E81 OF без труда могут иметь значение крутизны gm, равное 50 мА/В, а так как они легко доступны,
то их выбор можно считать целесообразным с практической точки зрения.
С другой стороны, можно увеличить значение крутизны gm параллельным включением нескольких ламп или транзисторов,
так как уровень шума при этом уменьшается в соответствии с коэффициентом, равным √n. Транзистор типа LM394,
имеющий идеально согласованные характеристики, является ярким примером использования подобного подхода, так как он включает
в себя пару составных транзисторов, причем каждый из них изготовлен из 100 индивидуальных приборов, чтобы обеспечить общее
усиление 20 дБ. Параллельное включение 100 ламп типа Е88СС не представляется возможным с практической точки зрения, но принцип
может оказаться плодотворным, даже при достижении более скромного результата, например улучшения усиления на 4,5 дБ использованием
трех, параллельно включенных ламп. Однако, не стоит забывать, что при параллельном включении нескольких ламп, их входные
и выходные емкости суммируются! Следует отметить, что величина входной емкости подбирается с учетом использования или отказа
от входных трансформаторов, а также выбором типа звукоснимателей с подвижной магнитной системой или с подвижной катушкой.
Например, для звукоснимателей с подвижной катушкой и высоким уровнем выходного сигнала типа «Blue Point Special», выпускаемых
фирмой Sumiko, по паспортным данным максимальное значение емкости нагрузки составляет 200 пФ.
К сожалению, приведенные ранее примеры наглядно продемонстрировали весьма существенную деталь. Стараясь улучшать шумовые
характеристики путем более тщательного выбора лампы, или даже нескольких ламп, приходится за самые незначительные улучшения
расплачиваться весьма дорогой ценой, так как получение высокого значения крутизны gm является очень дорогим и сложным
процессом, в котором чувство удовлетворения никогда так и не наступает. Для того, чтобы получить минимальные шумы, всегда
гораздо лучше подавать во входной каскад полноценный и хороший сигнал, чем возлагать надежды на возможность качественного
усиления слабого.
|
