|
На данный момент известно, что в рассматриваемом предусилителе будет использован метод пассивного раздельного (расщепленного)
выравнивания частотной характеристики с использованием блока частотной коррекции, соответствующего требованиям стандарта
RIAA (RIAA эквалайзера). Также известна топология отдельных усилительных каскадов. Теперь необходимо определить значения
импедансов эквалайзеров, которые обеспечат наилучший баланс между искажением, вызываемым влиянием нагрузки или сеточным
током, и погрешностью выравнивания частотной характеристики, вызванной наличием паразитных емкостей и отличным от нулевого
значения сопротивлений источников питания.
Искажения, вызванные сеточным током, и последовательные сопротивления RIAA эквалайзера
Во всех лампах при любых режимах работы существует незначительный сеточный ток. В случаях, когда лампа питается от источника
с ненулевым значением импеданса, протекание сеточного тока вызывает некоторое падение напряжения на этом сопротивлении. К
сожалению, это напряжение, которое складывается с напряжением искомого сигнала, как правило, имеет искажения и накладывает
их на полезный сигнал. Пассивные каскады блока частотной коррекции RIAA должны включать в свой состав резисторы, образующие
схему эквалайзера, поэтому возникает еще один дополнительный механизм вызвать дополнительные искажения за счет сеточного тока.
К сожалению, попытка уменьшения величины сопротивлений последовательно включенных резисторов, позволяющая снизить искажения,
вызываемые сеточным током, имеет ряд препятствий:
• на частотах, на которых эквалайзер обеспечивает максимальное ослабление, предыдущий каскад вынужден работать на нагрузку,
равную последовательно включенному сопротивлению. Снижение сопротивления нагрузки каскада делает более крутой его нагрузочную
характеристику и увеличивает искажения. Каскады, включающие в свой состав катодные повторители, например, как предложенный
ранее μ-повторитель, являются менее чувствительными к колебаниям нагрузки, однако, осторожность все равно необходима;
• значения емкостей конденсаторов, использующихся в RIAA эквалайзерах, достигают чересчур больших величин. Положительным
моментом является то, что полипропиленовые конденсаторы, имеющие класс точности 1 %, являются в настоящее время достаточно
широко распространенными элементами, но ограниченный диапазон их номинальных значений означает, что потребуется определенный
навык при подборе необходимых значений емкостей.
Между входным и вторым каскадом идеальным, с точки зрения максимального уровня искажений, вызываемых сеточным током,
будет использование последовательно включенного резистора с сопротивлением 20 кОм. Однако такая величина нагрузки уменьшила
бы усиление каскада и увеличила бы искажения входного каскада, в котором используется лампа типа ЕС8010. Тестирование показало,
что использование последовательно включенного резистора с сопротивлением 47 кОм является неплохим компромиссом, который
приводит к минимизации искажений за счет двух эффектов. Благоприятным обстоятельством является то, что т-повторитель второго
каскада, собранный на лампах типа 6J5, может хорошо работать на нагрузку 20 кОм, делая искажения, вызываемые сеточным током,
за счет μ-повторителя третьего каскада, собранного на лампах типа 12B4-A/6J5 совершенно незначительными.
Погрешности параметров объединенных цепей с постоянными времени 3180 мкс и 318 мкс, вызванные влиянием емкости Миллера
При рассмотрении традиционной схемы предусилителя было высказано утверждение, что с логической точки зрения единственным
претендентом на роль третьего каскада лампового блока частотной коррекции RIAA являлся катодный повторитель. Это положение
основывалось на том, что в этом случае возможно использование связи по постоянной составляющей (то есть непосредственной
связи) и такой каскад имеет низкое значение входной емкости, которая уменьшает взаимное влияние и погрешность объединенных
цепей постоянных времени 3180 мкс и 318 мкс. Если бы удалось уменьшить взаимное влияние и существовало средство предсказания
и решения этой проблемы, то это обеспечило бы несколько большую степень свободы при расчете и выборе элементов схемы.
Если необходимо, чтобы уровень сигнала, полученный с грампластинки, был сравним с сигналом, полученным от компакт-диска,
то, прежде всего, должно быть увеличено усиление блока частотной коррекции RIAA. Увеличение коэффициента усиления лампы
входного или второго каскада вызовет проблемы, связанные с наличием паразитной емкости Миллера, поэтому единственным практическим
путем увеличения усиления (без увеличения количества ламп, приводящих к росту уровня нелинейных искажений) является замена
усилителя с общим катодом на оконечный катодный повторитель. Но при этом сразу возникают две новые проблемы:
• для оконечного каскада необходимо, чтобы связь на его входе осуществлялась
только по переменной составляющей, а это приводит к взаимодействию между постоянной времени для НЧ среза, определяемой развязывающим
конденсатором, и постоянной времени 3180 мкс, которое приводит к искажениям частотной характеристики в НЧ области;
• в силу того, что оконечный каскад имеет усиление, превышающее единицу, влияние
емкости Миллера значительно возрастает, поэтому схема коррекции будет нагружена гораздо большей емкостью, чем прежде, что
приведет к искажениям частотной характеристики в ВЧ области.
Проблемы реализации постоянной времени 75 мкс
Всякий раз, когда это возможно, в цепях схемы частотной коррекции необходимо применять фольговые полистереновые конденсаторы,
так их конструкция обеспечивает наименьшие значения собственной индуктивности и последовательного эквивалентного сопротивления.
К сожалению, имеющиеся в торговой сети образцы имеют рабочие напряжения до 63 В постоянного тока, поэтому для конденсатора
связи, установленного между первым и вторым каскадами, оказалось необходимым вернуться к его более традиционному месту установки
(в отличие от ранее рассмотренных схем), что гарантирует его взаимодействие с цепью задания постоянной времени 75 мкс схемы
частотной коррекции.
Дополнительно к этому, было изменено место установки сеточного резистора утечки таким образом, что он более не находился
рядом с сеточным выводом, но ток сетки протекал дополнительно через последовательно включенный резистор схемы частотной коррекции
RIAA, в результате чего образуется делитель напряжения, который вызывает дополнительные потери 1,6 дБ в основном предусилителе
(рис. 8.36). По мнению автора, впервые применение такого хитроумного приема было осуществлено в бестрансформаторной схеме
блока частотной коррекции RIAA MC Артуром Лоесчем (Arthur Loesch).
Расчет схемы в использованием средств вычислительной техники
Проблемы большого многообразия видов взаимного влияния могут быть разрешены с использованием средств вычислительной техники
при выполнения динамического анализа (по переменной составляющей). Начать следует с
расчета величин при обычных условиях (то есть в предположении,
что взаимодействие отсутствует). Затем следует использовать компьютерный расчет для предсказания влияния эффекта взаимовлияния
на частотную характеристику, используя диапазон частот от 2 Гц до 200 кГц. После того, как проблема обозначится, необходимо
будет подобрать значения отдельных элементов для исправления ситуации. Хотя предлагаемый перечень действий выглядит достаточно
трудоемким, в действительности он может быть выполнен достаточно быстро, при условии, что вся работа выполняется с ясным
пониманием, где и какие именно изменения необходимо получить.
Рис. 8.36 Изменение схемы, задающей постоянную времени 75 мкс, позволяющее исключить ненужные потери
Так как имеется пять переменных, которые для получения правильного результата требуют особого (можно сказать, изощренного)
подхода, то необходимы некоторые упрощения. Можно начать с анализа схемы, в которой отсутствуют взаимовлияния, а затем постепенно
вводить в нее изменения, постепенно добавляя взаимовлияющие факторы, пока не будет получен требуемый окончательный результат.
Так как объединенные в одну пару цепи, задающие постоянные времени 3180 мкс и 318 мкс зависят от взаимовлияния в большей
степени, анализ следует начать с них.
Меры по улучшению характеристик объединенных цепей с постоянными времени 3180 мкс и 318 мкс
Рассмотрим способы компенсации некоторых проблем, возникающих в объединенных цепях задания постоянных времени 3180 мкс
и 318 мкс.
• Потери, вызывающие спад амплитудно-частотной характеристики на частотах менее
20 Гц, и обусловленные введением в схему межкаскадного конденсатора связи, могут быть снижены за счет уменьшения величины
сопротивления верхнего (по схеме) резистора делителя напряжения.
• Спад амплитудно-частотной характеристики в середине диапазона (когда для
частот выше примерно 1 кГц характерен постоянный уровень, но наблюдается отличный от него уровень для частот ниже 250 Гц)
может быть исправлен изменением значений сопротивлений делителя напряжения. Если более высокие
частоты характеризуются слишком высоким уровнем, то это объясняется тем, что у делителя напряжения недостаточное ослабление,
то есть величина сопротивления нижнего резистора должна быть уменьшена. Обратная ситуация требует прямо противоположенных
действий.
• Пик на амплитудно-частотной характеристике, расположенный в области 500 Гц, может быть удален увеличением емкости конденсатора,
тогда как провал характеристики может быть исправлен за счет уменьшения емкости конденсатора. Природу происхождения подобного
результата не так-то легко проследить, но увеличенное значение емкости вызвало бы увеличение постоянной времени, уменьшая
частоту, на которой делитель напряжения создает данный эффект, поэтому ослабление начинается раньше, чем оно могло бы проявиться,
и приводит в итоге к провалу на характеристике.
Действие двух последних корректировок обладает очень сильным взаимовлиянием, и увеличение одного параметра немедленно
требует пропорционального уменьшения другого, необходимого для сохранения правильного значения постоянной времени (то есть
калькулятор для расчетов должен быть всегда под рукой!). Как правило, легче в первую очередь оптимизировать значение сопротивления
резистора. Модель должна быть протестирована вплоть до частот 2 Гц, затем будет подогнана частота низкочастотного среза для
того, чтобы копировать простой фильтр с ослаблением 6 дБ/октаву, а затем его характеристики будут оптимизированы, чтобы обеспечить
минимальные отклонения амплитуды в частотном диапазоне от 20 Гц до 20 кГц.
Манипуляции с постоянными времени 75 мкс и 3,18 мкс
Несмотря на то, что характеристики блока частотной коррекции RIAA точно определены только для трех постоянных времени
(3180 мкс, 318 мкс и 75 мкс), ниже будут приведены аргументы, обуславливающие необходимость дополнительного подъема частотной
характеристики, равного 6 дБ/октава, особенно в случае применения в устройствах записи грампластинок, что обусловлено в
первую очередь хрупким звукозаписывающим рекордером (головкой).
Аллен Райт (Allen Wright) отметил в своей работе, что в момент нарезания звуковой канавки, предыскажения блока частотной
коррекции RIAA как правило, требуют добавления еще одной корректирующей цепи с постоянной времени, равной примерно 3,18 мкс,
что необходимая для того, чтобы предотвратить дополнительные выбросы в области ультразвуковых частот, возникающие в результате
особенностей рекордера, например, рекордера компании Нейман (Neuman). К сожалению, значение данной постоянной времени меняется
в зависимости от изготовителей рекордеров, и, например, для менее распространенных рекордеров компании Ortofon используется
постоянная времени, близкая к значению 3,5 мкс. Тем ни менее, кажется вполне допустимым, что постоянная времени 3,18 мкс,
определяемая электрическими параметрами схемы, была совершенно обдуманно введена в схему каскада звукозаписи в дополнение
к неизбежным механическим потерям, возникающим непосредственно в
режущих головках. Новое уравнение для частотной характеристики примет вид:
где s =jω, j — мнимая единица, а ω = 2πf.
Это уравнение выглядит гораздо более сложным, чем исходное уравнение для обычного блока частотной коррекции RIAA, и для
его решения требуется видоизмененная программа расчета QBASIC, точные результаты расчетов с использованием которой приводятся
в разделе Приложения. Если очень коротко подвести итог, то эффект действия нового эквалайзера (частотного корректора) заключается
в том, что вместо того, чтобы быть склонным выступать в качестве фильтра нижних частот с ослаблением 6 дБ/октаву, этот эквалайзер
склонен вызывать ослабление с уровнем примерно 27,5 дБ, которое остается постоянным при изменении частоты. В пределах звукового
частотного диапазона новый эквалайзер вносит поправку на потери 0,64 дБ на частоте 20 кГц.
Мотивировка введения постоянной времени 3,18 мкс в характеристику частотной коррекции имеет мало общего с выравниванием
амплитудно-частотной характеристики, но влияет в большей степени на групповую задержку и переходные характеристики. Постоянная
времени 3,18 мкс, без коррекции, изменяет фазу сигнала на частотах выше 5 кГц, поэтому они не поступают в тракт усиления
синхронно с сигналом более низких частот (неодинаковая групповая задержка), а это искажает переходную характеристику. Абсолютно
точно можно сказать, что не представляется возможным компенсировать искажения, возникающие в режущей головке, так же, скорее
всего, нет достаточных данных для компенсации характеристики звукоснимателя, но совершенно точно можно компенсировать скрытую
постоянную времени 3,18 мкс.
Следовательно, идеальный блок частотной коррекции должен был бы включать и постоянную времени 3,18 мкс, которая чисто
схемотехнически достаточно просто вводится последовательным включением резистора с емкостью, задающей постоянную времени
75 мкс (рис. 8.37).
К сожалению, определение точного значения сопротивления этого резистора является весьма сложной задачей из-за того, что
в схеме предусилителя существует достаточно большое количество других (частот, точек) спадов на высокой частоте, влияние
которых, в основном, «забивается» (подавляется, маскируется...) по сравнению с преобладающим вкладом нагрузки выходного каскада,
оказываемым на элементы, задающие объединенные постоянные времени 3180 мкс и 318 мкс. Как правило, только один резистор требует
подгонки своего значения, хотя не исключены незначительные корректировки величины емкости конденсатора, задающего постоянную
времени 75 мкс. Полученная модель должна быть протестирована до частоты, по крайней мере, 300 кГц и окончательно подстроена
под оптимальное значение группового времени задержки (запаздывания), после чего проверена на величину отклонений в
диапазоне частот между 20 Гц и 20 кГц. Может даже оказаться необходимым произвести небольшие корректировки объединенных
элементов цепей, задающих постоянные времени 3180 мкс и 318 мкс.
|
