Ламповый усилитель. Редкий пример хорошего однотакта

Привет всем радиоспецам, любителям ламповых УМЗЧ. Недавно тоже построил ламповичёк, схемой и конструкцией которого спешу с вами поделиться. Это очень интересная схема, настройки минимальные, связь межды каскадами не через конденсатор, а непосредственная, фона совсем нет. Данная схема — вариация на тему из журнала Радио 5-2012.

Вначале читайте оригинал статьи: Данный усилитель имеет мощность около 3 Вт при сопротивлении динамика 4 Ом. Рабочий диапазон частот — 30 Гц — 20 кГц.

Узлы ламповых усилителей класса Hi-End

В последнее время ламповые аудиоусилители как бы переживают свое второе рождение. Их собирают не только радиолюбители, но и серийно производят известные фирмы-производители из многих стран. В некоторых странах даже возобновлен выпуск радиоламп, которые сняли с производства ещё в 1970-1980 годы.

И всё это происходит несмотря на, казалось бы, очевидные недостатки ламп по сравнению с полупроводниковыми приборами:

• наличие накала, потребляющего значительную мощность;
• высокое анодное питающее напряжение (300 В и более);
• малый срок службы (500-1000 ч).

1. Схемотехника ламповых УМЗЧ

Она в значительной степени отличается от схемотехники УМЗЧ на полупроводниковых приборах, вследствие иного, чем у транзистора, принципа функционирования лампы как усилительного прибора. Если в полупроводниковом приборе поток заряженных частиц протекает в твердом кристалле, то в лампе электроны, эмитированные катодом, перемещаются в вакууме. Поэтому все усилительные лампы относят к классу электровакуумных приборов.

Ещё одним существенным отличием ламп от полупроводниковых приборов является практически полное отсутствие разброса характеристик. Лампы с одним названием, например 6Н1П, из разных партий и выпущенные разными заводами имеют одинаковые характеристики.

Важным обстоятельством, влияющим на ламповую схемотехнику, является тот факт, что катод лампы разогрет до температуры 700…900°С, поэтому изменение температуры окружающей среды от -30 до +50°С практически не оказывает никакого влияния на режим работы лампы. Следовательно, принимать схемотехнические меры для температурной стабилизации режима работы лампы, как это делается в транзисторных усилителях, нет необходимости.

Среди меломанов и конструкторов ламповых УМЗЧ существует мнение, что для усиления звукового сигнала наиболее подходят лампы типа триод или пентод и тетрод, используемые в триод-ном включении. Дело в том, что анодные характеристики триода и пентода значительно отличаются, и УМЗЧ на триоде вносит гораздо меньшие искажения во входной сигнал, чем УМЗЧ на пентоде. Для того чтобы лучше понимать особенности работы конкретного лампового УМЗЧ или разработать такой УМЗЧ самостоятельно, необходимо учитывать особенности работы ламп в различных схемах их включения, т.е. знать достоинства и недостатки каждой из таких схем. Рассмотрим некоторые типы усилительных каскадов на триодах, используемые в УМЗЧ.

Каскад с общим катодом

Наиболее часто в ламповых УМЗЧ, причём как в предварительных, так и в выходных однотактных каскадах, используется схема с общим катодом (OK). В неё нагрузка включается в цепь анода (рис.1). В качестве R в таком кааскаде может использоваться:

• в выходных каскадах — трансформатор;
• в драйверах — дроссель;
• в предварительных каскадах УМЗЧ — резистор. Важно отметить, что наименьшие искажения и наилучшее качество звучания такого каскада (минимум КНИ) обеспечивает использование в качестве нагрузки трансформатора, а наихудшие показатели — при использовании резистивной нагрузки. Очевидно, что стоимость такого усилителя при использовании в нём трансформатора или дросселя будет выше, чем при использовании резистивной нагрузки. Однако для подобных усилительных каскадов с трансформатором или дросселем надо правильно располагать элементы усилителя на шасси. Сигнал на выходе каскада с ОК будет противоположен по фазе входному сигналу, т.е. это инвертирующий усилитель.

Достоинства каскада:

• простые методики расчёта и готовые схемотехнические решения для ламп разных типов;
• минимум элементов;
• простая реализации цепи смещения;
• низкая стоимость.

В каскаде вместо автоматического смещения посредством элементов RK и CK можно использовать фиксированное смещение, если вместо Ra включить стабилитрон. При этом, из-за высокого уровня шумов стабилитрона, надо использовать высококачественный С .

Недостатки каскада:

• высокая входная емкость;
• усиление, которое обеспечивает каскад ОК, всегда ниже паспортного коэффициента усиления лампы;
• каскад требует применения высококачественного С значительной емкости (470-1000 мкФ).

Из каскада можно удалить конденсатор С . При этом произойдет увеличение выходного сопротивления каскада, т.е. его будет сложнее согласовывать как с нагрузкой, так и с последующим каскадом. Одновременно удаление Ск приведет к снижению КНИ каскада, так как при этом в каскаде образуется местная обратная связь по току. Одновременно уменьшится коэффициент усиления такого каскада.

Каскад с общим анодом

Этот каскад (рис.2) также ещё называют катодным повторителем. Такой каскад не инвертирует фазу входного сигнала. При использовании в каскаде лампы с высокой крутизной можно получить минимальное выходное сопротивление каскада. Это может быть важно при работе на мощные выходные лампы, которые работают в режиме с токами первой сетки. Каскад также может работать на нагрузку со значительной входной емкостью. Чтобы уменьшить КНИ, желательно чтобы сопротивление нагрузки такого каскада было больше 5-1RK.

Достоинства каскада:

• низкое выходное сопротивление (теоретически оно равно 1/S);
• высокое входное сопротивление;
• широкая полоса пропускания;
• малая входная емкость.

Недостатки каскада:

• в некоторых схемах, при большом падении напряжения на резисторе R может быть велико напряжение между катодом и подогревателем, в этом случае накал следует питать от индивидуальной, для этой лампы, накальной обмотки;
• каскад с ОА не усиливает напряжение входного сигнала — он только усиливает его мощность;
• каскад охвачен 100-% местной ООС, а это, по мнению ряда разработчиков, вносит искажения в звуковой сигнал.

Каскад с общей сеткой

Его ещё называют каскадом с заземлённой сеткой (рис.3). Каскад характеризуется невысоким входным сопротивлением и является самым высокочастотным из ранее рассмотренных. Дело в том, что внутриламповая емкость «управляющая сетка-анод» в таком каскаде включена параллельно нагрузке, а значит, не образует частотно-зависимую обратную связь между управляющей сеткой и анодом.

Схема, показанная на рис.3, часто используется в выходном каскаде УМЗЧ, работающего стоками управляющей сетки. В этом случае КНИ выходного каскада будет меньше, чем при использовании схемы, в которой входной сигнал драйвера подается на управляющую сетку (т.е. при использовании схемы с общим анодом или с общим катодом). Каскад с общей сеткой является неинвертирующим.Достоинства каскада:

• большая линейность при использовании такого включения в выходных каскадах УМЗЧ, работающих с токами сетки.

Недостатки каскада:

• низкое входное сопротивление.

Анодный повторитель (anode follower)

Такой каскад (рис.4), как и каскад с общим анодом, имеет низкое выходное сопротивление, малый уровень КНИ и широкую рабочую полосу частот. По сравнению с каскадом с ОК, анодный повторитель охвачен обратной связью (ОС) через резистор R2. Изменяя соотношение номиналов резисторов R1 и R2, можно регулировать коэффициент усиления каскада, в том числе сделать его равным 1.

Достоинства каскада такие же, как у каскада с ОК.

Недостатки:

• низкое входное сопротивление.

Фазоинверсный каскад

Для работы двухтактных УМЗЧ на их вход надо подавать сигналы, противоположные по фазе. Для этого можно использовать, например, или трансформатор, или фазоинверсный каскад с разделенной нагрузкой (рис.5). Достоинства:

• схема содержит минимум элементов;
• хорошая балансировка выходных сигналов, зависящая, в основном, только от точности подбора одинаковых номиналов резисторов Rа и Rк .

Недостатки:

• коэффициент усиления по напряжению такого каскада примерно равен 1;
• каскад отличается малой перегрузочной способностью, поэтому уровень поступающего на него сигнала должен быть невелик;
• выходные сопротивления каскада по выходам «-» и «+» различные.

Дифференциальный усилитель

Его ещё называют балансный каскад (рис.6). Используется в схемах драйвера двухтактного выходного каскада УМЗЧ. Сигнал на него может поступать, например, с фазоинверсного каскада (рис.5).

Достоинства:

• одинаковое выходное сопротивление по выходам «-» и «+»;
• низкий уровень собственных шумов;
• невысокие требования к фильтрации питающего напряжения.

Недостатки:

• необходимо два источника питания с положительным и отрицательным напряжением.

Каскодный усилитель

В этом усилителе используется два последовательно включенных триода (рис.7). Отсюда и его название — каскад на триодах. Этот каскад обеспечивает гораздо больше усиление амплитуды входного сигнала, чем каскад на одиночном триоде. Теоретически коэффициент усиления такого каскада равен произведению коэффициентов усиления входящих в его состав триодов.

Достоинства:

• низкий уровень шумов, который определяется уровнем шумов триода VL1;
• высокий коэффициент усиления по напряжению;
• хорошая линейность при больших выходных амплитудах сигнала;
• широкая полоса пропускания;

Каскад с динамической нагрузкой

Его ещё называют µ-повторитель (рис.8). Название каскада связано с тем, что его коэффициент усиления практически равен паспортному коэффициенту усиления µ лампы, т.е. значительно выше, чем у каскада с общим катодом. Достоинства:

• низкий КНИ;
• низкое выходное сопротивление (примерно 0,25Ri лампы VL1);
• высокий коэффициент усиления;
• низкая чувствительность к пульсациям питающего напряжения.

Недостатки:

• высокое напряжение между катодом лампы \/1_2 и подогревателем.

Каскад с катодной связью

Этот каскад (рис.9), по сути, представляет собой последовательно включенные каскад с общим анодом и общей сеткой. При этом между каскадами имеется гальваническая связь.

Достоинства:

• высокая линейность амплитудной характеристики;
• широкая полоса пропускания;
• малая входная емкость;
• большое входное сопротивление.

Недостатки:

• необходимо два разнополярных источника питания;
• могут быть сложности в реализации смещения ламп.

Каскодный катодный повторитель

В зарубежной литературе по аудиотехнике такой каскад (рис. 10) также называют «катодный повторитель Уайта». Такой каскад напоминает некий гибрид каскада с общим катодом и каскодного усилителя. Особенность каскада рис.10 — это наличие обратной связи через конденсатор Сос, что ограничивает нижнюю рабочую частоту каскада. Благодаря использованию двух ламп, каскад обеспечивает очень низкое выходное сопротивление. Коэффициент усиления по напряжению у такого каскада практически единица, и он не изменяет фазу входного сигнала.

Достоинства:

• низкий КНИ;
• очень низкое выходное сопротивление;
• низкая чувствительность к пульсациям питающего напряжения.

Недостатки:

• высокое напряжение между катодом и подогревателем лампы \/L2;
• наличие ООС.

Новые тенденции в схемотехнике ламповых УМЗЧ

В 1950-60-е годы УМЗЧ строили практически исключительно на электронных лампах (мощные высокочастотные транзисторы тогда ещё не производились). Если посмотреть на типовые схемы УМЗЧ тех лет, то бросается в глаза стремление разработчиков не только обеспечить серийно пригодность УМЗЧ, без использования тщательного подбора элементов, но и их стремление экономить как за счёт стоимости, так и за счёт габаритов УМЗЧ. Поэтому в те годы использовались более экономичные, но обеспечивающие худшее качество звучания, двухтактные УМЗЧ. В выходных двухтактных каскадах использовался класс работы ламп АВ, АВ2 и даже В. Для сокращения количества ламп в УМЗЧ широко использовались тетроды и пентоды, которые имеют больший КНИ, но обеспечивают больший коэффициент усиления каждого каскада. В итоге, такие усилители звучали немногим лучше современных УМЗЧ, выполненных целиком на ИМС, но стоили, по меркам тех времен, довольно дешево.

В настоящее время тенденции в разработке ламповых УМЗЧ коренным образом изменились -выходной каскад УМЗЧ (как и все остальные) работает в чистом классе А. Чаще всего используются однотактные выходные каскады с трансформаторным выходом. Во всех каскадах УМЗЧ используются только триоды (или пентоды и тетроды в триод-ном включении), что обеспечивает значительное улучшение качества звучания. При этом для разработчиков УМЗЧ определяющим фактором является именно качество звучания, а не КПД и не конечная стоимость УМЗЧ.

Типовой предусилитель звука 1950-60-х

Поклонники концепции High-End считают, что построение УМЗЧ должно быть бескомпромиссным — он не может быть гибридным (т.е. содержать и лампы, и транзисторы), а должен содержать только лампы. Таким образом, сигнал с CD/DVD-плеера или высококачественной звуковой компьютерной карты должен проходить через минимум каскадов усиления, и все они должны быть только на лампах. Никаких гибридных решений.

Множество схем предусилителей звука было разработано в 1950-60-х годах. Типовая схема предусилителя на триодах, широко использовавшаяся в популярных в те времена магнитолах и радиолах, показана на рис.11.

Это схема УМЗЧ радиолы «Ригонда» разработки рижского . Она была рассчитана на прием широковещательных станций в диапазонах длинных, средних, коротких и ультракоротких волн. Воспроизведение звука могло быть стереофоническим и монофоническим, в зависимости от комплектации радиолы. В данном усилителе, кроме усиления входного сигнала, реализована также регулировка тембра НЧ и ВЧ, которая позволяла улучшить качество звучания звукозаписи или радиопередачи. В настоящее время регулировка тембра в УМЗЧ, тем более класса High-End, не используется из-за наличия высококачественных источников сигнала.

Основные характеристики этого УМЗЧ, приведенные в паспорте радиолы:

1. Диапазон воспроизводимых частот 60… 15000 Гц.
2. Номинальная выходная электрическая мощность УМЗЧ — 2 Вт, максимальная неискаженная -3,5 Вт.
3. Регулировка тембра НЧ, ВЧ — в пределах 14…18 дБ.
4. Уровень фона с входа УМЗЧ — 56…60 дБ.

Акустическая система радиолы состоит из четырех громкоговорителей: двух 4ГД-28 (с резонансными частотами 60 и 90 Гц) и двух 1ГД-28 (с резонансной частотой 100 и 140 Гц), последние два подключены к трансформатору TP 1 через конденсатор С10.

В усилителе НЧ (рис.11) используются два каскада на двойном триоде 6Н1П. Регулировка громкости осуществляется тонкомпенсирован-ным регулятором R1. Для регулировки тембра НЧ используется частотно-зависимый делитель напряжения и переменный резистор R3. Особенностью данного УМЗЧ является использование для регулировки тембра ВЧ дифференциальной схемы с положительной и отрицательной обратной связью. Это обеспечивается путем включения переменного резистора R4, по переменному сигналу, между катодом и анодом триода Л1.2.

Выходной каскад выполнен на лампе Л2 типа 6П14П (специально разработанный «звуковой» пентод) по ультралинейной схеме. Тем не менее, для уменьшения КНИ УМЗЧ используется общая отрицательная обратная связь с вторичной обмотки трансформатора Тр1 через резистор R14 на катод лампы Л2. При этом назначение конденсатора С12 (его номинал 2200 пф) — предотвращение возбуждения УМЗЧ на высоких частотах.

Если говорить об обратных связях, то в данном усилителе есть еще местная отрицательная обратная связь по переменному току, а именно в первом усилительном каскаде номинал конденсатора С5 выбран 0,033 мкФ вместо 10…20 мкФ, для того чтобы обеспечить большее усиление ВЧ каскадом на Л1.1.

Для анализа работы такого усилителя будем использовать вольтамперные характеристики (ВАХ) использованной в нем лампы 6Н1П (рис.12).

Номинальный паспортный ток анода лампы 6Н1П составляет 8 мА. В данном случае он равен всего лишь 2,5 мА, т.е. более чем в 3 раза меньше. При напряжении смещения -2 В и напряжение на аноде +80 В лампа будет работать на начальном, крайне нелинейном участке её ВАХ. И хотя лампа Л1 работает в классе А, это приведет к значительному росту КНИ такого каскада. Чтобы увидеть это, надо на рис.12 отметить рабочую точку лампы при напряжении смешения -2 В и напряжении на аноде +80 В.

Всё это вызвано неправильным выбором номинала анодного нагрузочного резистора R4 — он слишком завышен. Существуют рекомендации для работы триода на линейном участке характеристики: «данный каскад с общим катодом должен иметь номинал R4 равный 5… 10•R». Для лампы типа 6Н1П Rі равно 11 кОм, т.е. оптимальный номинал R4 составляет от 55 до 110 кОм, т.е. он более чем в два раза меньше, чем в схеме, показанной на рис.11. Да и в паспортных данных на лампу указан режим: la=8 мА, Ua=250 В.

Для обеспечения минимума КНИ рабочая точка триода должна располагаться в середине линейного участка его ВАХ. Как видно из рис.12, при напряжении смещения -2 В этому условию соответствует точка с напряжением на аноде 160 В и током анода 8 мА, т.е. напряжение на аноде Л1 надо поднять почти в 2 раза.

Однако для того, чтобы обеспечить это, придется значительно увеличить напряжение питания каскада. Итак, при токе анода 8 мА выбираем минимальное значение номинала R4 равное 51 кОм. При этом падение напряжения на R4 составит 408 В, т.е. напряжение питания каскада (напряжение на аноде Л1 + падение напряжения на Р4) должно быть: 160+408=568 В.

Аналогично обстоит дело и с каскадом на Л 2. И это притом, что напряжение питания выходного каскада УМЗЧ составляет всего лишь 270 В.

В связи с этим возникает вопрос: «Следует ли усложнять конструкцию УМЗЧ, чтобы обеспечить минимальный КНИ первых двух каскадов УМЗЧ, когда КНИ трансформатора Тр1 весьма велик?». Именно так и думали разработчики ламповой аппаратуры 1950-60-х годов. При этом они не забывали, что источник питания с выходным напряжением 568 В будет очень громоздким и дорогим, в первую очередь, из-за используемых в нём высоковольтных электролитических конденсаторов.

Улучшение параметров входного каскада

Рассмотрим, как можно улучшить параметры входного каскада на лампе 6Н1П без значительного увеличения напряжения источника питания. Для этого можно, например, использовать каскад с динамической нагрузкой, рассмотренный ранее (рис.8).

Схема УМЗЧ с напряжением питания 360 В (что значительно меньше оптимальных 568 В для усилителя, показанного на рис.11) и входным каскадом с динамической нагрузкой, в котором используется лампа 6Н1П, показана на рис.13. Достоинства и недостатки такого каскада рассмотрены ранее.

Отметим, что резистор фильтра R6 желательно заменить дросселем. В этом случае напряжение на аноде VL2.1 составит около 355 В. Для обеспечения оптимального режима работы обоих триодов \/L1.1 и VL1.2 желательно чтобы это напряжение делилось между ними поровну, т.е. анодное напряжение каждого триода составит 177,5 В при заданном Uсм = -3 В ток анода составит 9 мА (рис.12). Такой режим близок к оптимальному, для данного типа лампы. Для уменьшения КНИ каскада можно попробовать подобрать номинал резистора R4 в диапазоне 0,5…2•RЗ.

Ещё один вариант предварительного усилителя, с большим коэффициентом усиления (около 35), показан на рис.14. В нём разделена нагрузка в цепи анода \/L1.1, т.е. нагрузкой по переменному току для \/L1.1 является не только триод \/L1.2, но и резистор R5.

При этом падение напряжения на резисторе Р6 используется как напряжение смещения для \/L1.2, а управляющая сетка VL1.2 соединена по переменному току с анодом VL1.1 через конденсатор С1. При этом каждая лампа работает с анодным напряжением 100 В, что не является оптимальным для данного типа лампы. Как видно из ВАХ, показанных на рис.11, в данном случае, при Ua = 100 В, Uсм = -3 В ток анода \/L1.1 составит 2,8 мА, т.е. рабочая точка каскада находится на нелинейном участке ВАХ, и такой каскад будет иметь довольно значительный КНИ. Выход из этого положения — увеличить напряжение на аноде VL1.2 хотя бы до 350 В, чтобы увеличить как напряжение анод-катод, так и анодный ток каждого из триодов.

Расчет выходного каскада УМЗЧ

В данном случае приведем пример расчета классического выходного однотактного каскада на пентоде, показанного на рис.11 (он собран на Л2).

Отметим, что существуют таблицы типовых режимов для ламп при их использовании в однотактном выходном каскаде с выходной мощностью 0,1 …5,5 Вт. Особенностью такого каскада является наличие трансформатора, что позволяет обеспечить согласование УМЗЧ с нагрузкой практически с любым сопротивлением.

Если в УМЗЧ используется типовой режим работы для данной лампы, то её параметры, такие как UС0, І0, µ, S, Ri, Ra, можно найти в паспортных данных на лампы. В случае использования не типового режима работы лампы, для расчёта надо воспользоваться ВАХ лампы.

Последовательность расчета:

1. Задается постоянное напряжение на экранирующей сетке. Как правило, UЭ= UА0.
2. По анодным характеристикам лампы (рис.15) задаются:
   максимальный ток анода IAМАКС — он определяется для режима UC=0. Как правило, этому току соответствует напряжение UA=(0,1…0,25)UA0;
3. минимальныйтоканода IА МИН=0,1·IAМАКС. При этом напряжение на управляющей сетке, соответствующее IAМИН, будет максимальным отрицательным значением этого напряжения – UС МАКС.

4. Постоянное отрицательное напряжение на сетке составит: UC0 = UC МАКС/2,т.е. рабочая точка на ВАХ выбирается на пересечении кривой для UC = UC0 и вертикальной линии для UA0 (точка «0» на рис.15). Поскольку предполагается, что данный каскад работает в режиме без токов сетки (в противном случае его КНИ резко возрастет), то амплитуда входного сигнала не должна превышать UC0.Таким образом, получаем рабочий участок динамической характеристики между точками А и В на рис.15. Ток анода лампы будет максимальным в точке А и минимальным в точке В.
5. Проверяется, что в выбранной рабочей точке максимальная мощность, рассеиваемая на аноде, не превышает допустимую:

РА ДОП = UA0·IA0,

где:

РА ДОП — максимально допустимая мощность рассеивания на аноде лампы данного типа;

UA0 — анодное напряжение в рабочей точке [В];

IA0 — анодный ток в рабочей точке [А].

Автор: Андрей Семёнов, г. Киев

Источник: Радиоаматор №1, 2 2015

Формула изобретения

1. Ламповый усилитель с непосредственной междукаскадной связью и раздельным питанием каскадов, отличающийся тем, что анод первой лампы подключен к сетке второй лампы, а между точкой их соединения и катодом второй лампы включен резистор, при этом катод второй лампы подключен к положительному полюсу источника питания первого каскада и к отрицательному полюсу источника питания второго каскада.

2. Ламповый усилитель по п.1, отличающийся тем, что между сеткой второй лампы и положительным полюсом источника питания второго каскада включен резистор.

3. Ламповый усилитель по п.1, отличающийся тем, что имеет два идентичных плеча для усиления в двухтактном режиме.

4. Ламповый усилитель по п.2, отличающийся тем, что имеет два идентичных плеча для усиления в двухтактном режиме.