Ламповый усилитель Milliard 5-20 (20Вт)
Усилитель с выходной мощностью 20 Вт представляет собой разработку , выполненную компанией Milliard для активизации продаж пентодов типа EL34. Существует большая степень сходства между этой разработкой, усилителем Milliard 5-10 (мощность 10 Вт, использован пентод типа EL84) и рядом усилителей серии Leak (рис. 7.24).
Входной каскад собран на пентоде типа EF86, который обеспечивает высокую чувствительность, но ответственен за неудовлетворительные шумовые характеристики данного усилителя. Большая часть резисторов, задающих смещение на катоде, шунтирована, так как это, кроме всего прочего, позволяет снизить величину коэффициента усиления по напряжению от примерно 120 до 33, которого оказывается более чем достаточно для такого значения коэффициента усиления при разомкнутой цепи обратной связи, которая могла бы быть использована для уменьшения искажений, возникающих в выходном каскаде. Без дополнительных усложнений пентод имеет выходное сопротивление порядка 100 кОм, и работает на емкостную нагрузку величиной примерно 50 пФ, образованную фазоинверсным каскадом, что обеспечило бы частоту среза 32 кГц, но которая, за счет использования стандартных компенсирующих элементов в цепи анодной нагрузки, была изменена.
Несколько непривычной особенностью этой конструкции является то, что развязывающий конденсатор цепи экранирующей сетки включен между сеткой и катодом, а не между сеткой и землей. В подавляющем большинстве ламповых схем, катод по переменной составляющей соединен с землей, и поэтому нет причин, по которым развязывающий конденсатор в цепи экранирующей сетки не оказался бы соединенным по переменному току с землей. В этой же схеме на катод вводится достаточно эффективная отрицательная обратная связь и поэтому сеточный конденсатор должен быть подключен к катоду для того, чтобы поддерживать разность потенциалов между экранирующей сеткой и катодом на нулевом уровне по переменной составляющей, в противном случае на экранирующую сетку воздействовала бы положительная обратная связь.
Фазоинвертор с катодной связью выполнен совместно с предусилительным каскадом на двойном триоде типа ЕСС83. При симметричной нагрузке со стороны выходного каскада коэффициент усиления по напряжению такого фазоинвертора — усилителя будет равен 27 по каждому выходу.
Резисторы анодной нагрузки лампы ЕСС83 не были специально модифицированы с целью добиться идеального баланса. При условии, что сеточные резисторы утечки выходного каскада с сопротивлением 470 кОм включены параллельно с резисторами анодной нагрузки величиной 180 кОм, то эффективное сопротивление анодной нагрузки составит 130 кОм.
Используя ранее выведенную формулу можно показать, что величина динамической анодной нагрузки правой половины лампы ЕСС83 будет на 3% выше, и значение сопротивления ее анодной нагрузки составит 187 кОм. Компания Milliard действительно обосновала это в [8] но, возможно, посчитала, что большая часть разработчиков не будет иметь доступа к дорогим прецизионным резисторам.
Емкость выходного каскада составляет примерно 30 пФ, а предусилительный каскад при симметричной нагрузке имеет выходное сопротивление 53 кОм, что соответствует частоте среза примерно 100 кГц, что совершенно недопустимо по критерию устойчивости к возможным автоколебаниям в высокочастотной области. При асимметричной нагрузке выходное сопротивление возрастает до значения примерно 90 кОм, что понижает частоту среза до значения примерно 60 кГц.
При анализе работы предусилительного каскада усилителя мощности возникает вопрос, действительно ли он может обеспечить требуемый входной уровень для выходного каскада при приемлемых нелинейных искажениях. Напряжение 85 В будет падать на общем резисторе цепи питания, имеющем сопротивление 82 кОм, но с учетом значения высоковольтного напряжения анодного питания, остается еще 325 В, которые будут подведены к анодной цепи. С учетом номиналов компонентов каскада, лампе задана рабочая точка при анодном напряжении 240 В на нагрузочной линии, соответствующей нагрузке величиной 180 кОм. При проведении динамической линии при нагрузке 130 кОм через ту же точку видно, что каскад будет создавать искажения второй гармоники, составляющие примерно 4% от общего входного сигнала (Vout = 18 В среднеквадратического значения), — если только он не работает в качестве операционного усилителя. В то же время, при номинальном режиме, компания Mullard объявила об уровне искажений 0,4% для всей схемы каскада предварительного усиления.
Хотя заявленный уровень искажений можно принять как приемлемый, предусилительный каскад обладает уровнем перегрузочной способности только в 10 дБ. Когда усиление выходного каскада начинает падать из-за влияния обратной связи, вводимой в катодную цепь входного каскад, то либо входная емкость нагружает предусилительный каскад, (практически это возможно, когда усилитель при работе смещается в режим класса В), либо, из-за недостаточной индуктивности первичной обмотки выходного трансформатора, петля межкаскадной обратной связи пытается откорректировать усиление, подавая больший уровень входного сигнал в выходной каскад, но исходный запас по усилению в 10 дБ будет постепенно превышен, что приведет к увеличению уровня искажений.
Схема предусилительного каскада предназначалась для усилителя с высокой чувствительностью, на работоспособность которого не могло бы повлиять даже действие обратной связи с коэффициентом передачи 30 дБ, что могло быть реализовано за счет компромисса в отношении других характеристик. Тогда как усилители Williamson жертвовали устойчивостью в угоду линейности, в усилителях Milliard 5-20 устойчивость достигалась за счет линейности.
В выходном каскаде используются две лампы типа EL34, включенные по так называемой ультралинейной схеме Блюмлейна, в которой для минимизации искажений использован отвод от точки, соответствующей 43% каждой обмотки выходного трансформатора, к которому подключается экранирующая сетка лампы. В отличие от схемы Williamson в усилителе Mullard 5-20 не предусмотрена возможность для подстройки или установления баланса напряжений смещения плеч, что можно рассматривать, как недостаток конструкции.
Управление уровнем смещения достигается за счет подключения катодов к совместной точке и использованием части сеточного смещения для установления баланса. Так как смещение точно задается резисторами, то отсутствует саморегуляция тока смещения, и по мере старения ламп требуется проведение регулировочной операции по восстановлению баланса. Короче говоря, предусмотренная регулировка требует, чтобы эта операция выполнялась регулярно, что было бы удобнее при установки под-строечных потенциометров.
В противовес всему, в усилителе Mullard 5-20 используются отдельные резисторы катодного смещения ламп выходного каскада и схема автоматического смещения, обеспечивающая поддержание анодных токов на точно задаваемых, и, следовательно, равных значениях. На практике, такой подход оправдывает себя, хотя он и не позволяет обеспечить такой же низкий уровень искажений, определяемых подмагничива-нием сердечника трансформатора, который достигается только в полностью уравновешенной (сбалансированной) схеме, в которой предусмотрены соответствующие настройки.
Рассматриваемая конструкция в действительности имеет очень неудобную черту, так как индивидуальные резисторы катодного смещения образуют последовательную отрицательную обратную связь, воздействующую на выходные лампы и увеличивающую их выходные сопротивления. Выходной трансформатор мог бы быть изменен, чтобы обеспечить точное согласование с нагрузкой, но это нежелательно, так как это потребовало бы более высокого значения отношения числа витков первичной обмотки трансформатора к числу витков вторичной, а это сделало бы гораздо сложнее задачу достижения высокого качества трансформатора. Для исключения упомянутой обратной связи по переменному току, резисторы катодного смещения должны быть шунтированы конденсаторами, а вот здесь-то как раз и начинаются проблемы.
Как известно, конденсатор проводит переменный ток, его проводимость зависит от частоты, на очень высоких частотах величина сопротивления стремится к очень малому значению и действие обратной связи менее эффективно; с уменьшением частоты переменного тока величина сопротивления конденсатора возрастает и делает действие обратной связи, возникающей за счет катодного автосмещения, на очень низких частотах достаточно эффективным. Так как выходной каскад согласован с величиной нагрузки, то действие обратной связи немедленно вызывает рост искажений и снижение выходной мощности из-за возникающего рассогласования. Очевидным решением проблемы является установка конденсатора с таким большим значением емкости, чтобы ослабление обратной связи в области низких частот для такой комбинации элементов было бы заведомо большим на всех полезных частотах, возможно, вплоть до частоты 1 Гц. Учитывая, что конденсатор образует цепь с параллельно включенными сопротивлениями резистора R4 и эквивалентного сопротивления лампы rk, можно рассчитать требуемое значение.
Для пентода значение rk = l/gm, для стандартного выходного пентода данного типа крутизна характеристики в рабочей точке gm = 10 мА/В, следовательно, можно принять, что rk~ 100 Ом. Это сопротивление включено параллельно с резистором смещения, который имеет сопротивление примерно 300 Ом. Их общее сопротивление составит 75 Ом. Следовательно, для частоты подавления 1 Гц емкость конденсатора составит 2000 мкФ.
Конденсаторы с емкостью 2000 мкФ и рабочим напряжением 50 В в то время, когда разрабатывался этот усилитель, не производились и поэтому не могли быть установлены. Сейчас они легко доступны, но существуют две причины, по которым предпочтительнее использовать конденсаторы с меньшими значениями емкости:
- конденсатор с емкостью 2000 мкФ помимо емкостного сопротивления имеет значительную ицпуктивность, что делает действие обратной связи на высоких частотах весьма эффективным. Однако эта проблема может быть сравнительно просто решена установкой электролитического конденсатора, имеющего малую ицпуктивность и разработанного для использования в импульсных источниках питания, и последующим его шунтированием конденсатором малой емкости;
- вторая причина гораздо коварнее. Если из-за перегрузки выходной каскад вынужден перейти в класс В, потенциал на каждом катоде стремиться сместиться в область более положительных значений. Поэтому он не сможет более удерживать лампу запертой, но, без сомнений, сможет удерживать ее открытой. Катодные конденсаторы сглаживают эти изменения путем незначительного увеличения постоянного напряжения смещения, что еще сильнее смещает лампу в область класса В, то есть проблема продолжает существовать. Этот эффект может проявиться в том, что кратковременная перегрузка может вызвать искажения последующих фрагментов усиливаемых сигналов, несмотря на то, что они изначально нормально укладывались в параметры усилителя. Если емкость конденсатора катодного смещения будет увеличена, время восстановления режима после перегрузки увеличится. Теоретически можно считать, что усилитель никогда не перегружается и проблема носит надуманный характер, но на практике время от времени перегрузка неотвратимо происходит и этот эффект необход имо учитывать.
Идеальным решением проблемы было бы использование внешнего устройства смещения управляющих сеток ламп, работа которого управлялась бы их катодным током. Но, для отслеживания величин катодных токов, значение сопротивления резистора катодного резистора может быть уменьшено до значения, равного, или меньше, чем 1 Ом, после чего он уже не смог бы образовать значительную по действию обратную связь, а величину тока в нем (для создания сигнала управления устройства внешнего сеточного смещения) можно было бы оценивать, используя операционный усилитель. Последний питал бы несимметричный ограничитель так что, когда лампа переходит в классе В и отсекает от сигнала половину периода, ограничитель добавляет часть сигнала второго полупериода, перед тем как передать обрабатываемый сигнал на интегратор. Интегратор может иметь значение постоянной времени RC-цепи с любым выбранным значением, и значение 10 с не является чем-то исключительным. Выходной сигнал интегратора представляет сглаженное постоянное напряжение, пропорциональное силе анодного тока, которое сравнивается со значением заданного опорного напряжения. Разница уровней двух сигналов управляет усилителем, выходной сигнал которого задает отрицательное смещение на сетке выходной лампы.
Если анодный ток одной из ламп задается в виде разностного сигнала, то вторая лампа, или группа ламп, может также использовать этот разностный сигнал, который затем обеспечивает баланс анодных токов. Увеличение сложности схемы искупается (правда, частично) улучшенными выходными характеристиками и снижением необходимого высоковольтного напряжения, так как схема катодного смещения не использует напряжение высоковольтного источника питания. Схема реализации такого устройства приведена на рис. 7.25.
Данная схема рассчитывалась, исходя из значения анодного тока 40 мА, определяемого по падению напряжения величиной 40 мВ на эталонном резисторе, имеющем сопротивление 1 Ом. Остальная часть схемы основывается именно на величине сигнала 40 мВ, следовательно, если необходимо фиксировать иное значение тока, необходимо использовать эталонный резистор с другим значением сопротивления. Усиление операционного усилителя типа 5534 составляет 100 раз и усиливает среднее значение постоянного напряжения до уровня 4 В, а амплитудное значение переменного тока до 8 В. Пики с напряжением более 8 В срезаются диодно-транзисторной схемой фиксации уровня, тогда как вторая половина периода была уже срезана (отсечена) лампой. Сигнал с ограничением уровня интегрируется цепью, состоящей из резистора 2,2 МОм и конденсатора 470 пФ, постоянная времени t которой будет равна 6,5 с.
Операционный усилитель типа 071 сравнивает сглаженное постоянное напряжение с опорным, полученным отделителя напряжения, а полученным в результате сравнения сигналом управляет работой транзистора, задающего смещение на лампе. Опорное напряжение фиксации, задаваемое переменным резистором 2 кОм, требует настройки, чтобы обеспечить неизменный анодный ток при всех рабочих режимах. Хотя данная схема была рассчитана, чтобы обеспечить напряжение смещения — 11 В, последнее легко может быть изменено (в случае необходимости получения более отрицательного напряжения смещения) путем замены резистора коллекторной нагрузки транзистора цепи смещения; при этом других изменений в схеме не потребуется.